Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ специфики работы стальных вертикальных резервуаров 9
1.2 Аварии и причины нарушения работоспособности резервуаров 12
1.3 Анализ методик расчета остаточного ресурса резервуаров 17
1.4 Анализ исследований роста усталостных трещин в условиях двухосного нагружения 28
1.4.1 Влияние вида двухосного нагружения на скорость роста трещины 28
1.4.2 Конструкция образцов для двухосного нагружения 29
1.5 Выводы по 1 главе. Постановка задач исследования 32
ГЛАВА 2 Исследование напряженно–деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров с поверхностной полуэллиптической трещиной 34
2.1 Коэффициенты интенсивности напряжений для цилиндрических оболочек 34
2.2 Планирование численного эксперимента по исследованию коэффициентов интенсивности напряжений в первом поясе резервуаров 37
2.3 Исследование напряженно-деформированного состояния резервуаров методом конечных элементов 39
2.4 Конечно-элементные модели резервуаров с поверхностной трещиной. Обоснование сходимости результатов 54
2.4.1 Метод подмоделирования 54
2.4.2 Конечно-элементная модель поверхностной полуэллиптической трещины 57
2.4.3 Верификация методики расчета коэффициента интенсивности напряжений 60
2.5 Исследование коэффициентов интенсивности напряжений
поверхностной полуэллиптической трещины в первом поясе резервуаров 62
2.6 Выводы по 2 главе 70
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования параметров циклической трещиностойкости металла стенки стального вертикального резервуара 72
3.1 Описание испытательного оборудования 72
3.2 Обоснование материала и конструкции экспериментального образца 75
3.3 Проведение испытаний по определению характеристик циклической трещиностойкости при двухосном нагружении 86
3.4 Характеристики циклической трещиностойкости стали Ст3 при двухосном нагружении 95
3.5 Выводы по 3 главе 104
ГЛАВА 4 Методика прогнозирования остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров с учетом двухосного нагружения 105
4.1 Стохастическая и детерминированная модели прогнозирования срока безопасной эксплуатации резервуаров 105
4.2 Методика определения срока безопасной эксплуатации основного металла стенки резервуаров при малоцикловом нагружении 107
4.2.1 Исходные данные 107
4.2.2 Порядок выполнения расчета 108
4.3 Пример расчета срока безопасной эксплуатации основного металла первого пояса резервуара с поверхностной трещиной 110
4.4 Программный комплекс для расчета остаточного ресурса стенки резервуаров с трещиноподобными дефектами 119
4.5 Выводы по 4 главе 121
Заключение 123
Список литературы 125
- Анализ исследований роста усталостных трещин в условиях двухосного нагружения
- Конечно-элементные модели резервуаров с поверхностной трещиной. Обоснование сходимости результатов
- Характеристики циклической трещиностойкости стали Ст3 при двухосном нагружении
- Методика определения срока безопасной эксплуатации основного металла стенки резервуаров при малоцикловом нагружении
Введение к работе
Актуальность темы. Возникновение дефектов в процессе эксплуатации стальных вертикальных резервуаров (РВС) является неизбежным процессом из-за коррозионного износа и малоцикловой усталости металла. Наиболее опасными дефектами в стенке резервуаров принято считать усталостные трещины, появляющиеся в результате циклических нагрузок в местах концентрации напряжений. Нормативно-технические документы ОАО АК «Транснефть», ОАО «НК «Роснефть», АО «Нефтемонтаждиагностика», НО Ассоциации «Ростехэкспертиза» запрещают эксплуатацию РВС с трещинами. В то же время у эксплуатирующих организаций не всегда есть возможность незамедлительно выполнить ремонт. Из практики, известны случаи безаварийной эксплуатации резервуаров с несквозными поверхностными трещинами на стадии стабильного роста, подтвержденные модельными расчетами. Исследованиями Болотина В.В., Буренина В.А., Галлямова А.К. показано, что долговечность резервуара в процессе прорастания трещины через стенку составляет значительную долю ресурса всей конструкции и есть время для ремонта, прежде чем трещина достигнет критических размеров.
Для того чтобы определить остаточный ресурс резервуара, степень опасности дефекта и назначить срок проведения обследования технического состояния, необходимо уметь предсказывать: как будет развиваться трещина при данных режимах эксплуатации и каким будет ее критический размер. С точки зрения механики разрушения скорость развития трещины в стенке резервуара зависит от напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины, характеризующегося коэффициентом интенсивности напряжений, и параметров циклической трещиностойкости металла. Известно, что нижние пояса резервуаров, уторный узел, места врезок приемо-раздаточных патрубков находятся в условиях сложного напряженного состояния, которое оказывает влияние на характеристики циклической трещиностойкости стали. Следовательно, актуальной задачей является определение возможного срока безопасной эксплуатации резервуаров с учетом фактического напряженного состояния стенки резервуара с дефектом и его влияния на характеристики циклической трещиностойкости.
Цель работы: повышение надежности эксплуатации РВС на основе прогнозирования их остаточного ресурса при двухосном напряженном состоянии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать конечно-элементные модели РВС с поверхностной полуэллиптической трещиной для оценки НДС и расчета коэффициентов интенсивности напряжений при различных эксплуатационных нагрузках.
-
Исследовать экспериментально влияние вида напряженного состояния, реализующегося в стенке РВС в процессе эксплуатации, на характеристики циклической трещиностойкости стали.
-
Разработать инженерную методику определения срока службы резервуаров, учитывающую сложное напряженное состояние конструктивных элементов резервуаров и влияние двухосного нагружения на параметры циклической трещиностойкости стали.
Научная новизна работы:
-
Получены аналитические зависимости для расчета коэффициентов интенсивности напряжений первого пояса РВС, учитывающие геометрические параметры несквозной поверхностной трещины, конструктивные особенности резервуаров и условия эксплуатации.
-
Экспериментально установлены закономерности влияния вида напряженного состояния на скорость роста трещины для стали Ст3. Определены характеристики циклической трещиностойкости стали Ст3 в диапазоне соотношений двухосности номинальных напряжений от +1,0 до -0,4.
Защищаемые научные положения:
1. К-тарировочную функцию, учитывающую изменение
геометрических параметров несквозной поверхностной трещины и
конструктивные особенности резервуара, необходимо использовать
при расчете коэффициентов интенсивности напряжений для опреде
ления остаточного ресурса РВС при малоцикловом нагружении.
2. Влияние вида двухосного напряженного состояния на
скорость роста трещины необходимо учитывать для корректного
прогнозирования остаточного ресурса РВС при малоцикловом на-
4
гружении.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе численного анализа и экспериментальных исследований разработана инженерная методика оценки остаточного ресурса РВС при малоцикловом деформировании, учитывающая влияние вида эксплуатационного нагружения на коэффициенты интенсивности напряжений и характеристики сопротивления деформированию и разрушению материала резервуара.
Методы исследования. Использовался комплексный метод, включающий численный анализ НДС РВС методом конечных элементов в программных комплексах Ansys и Abaqus и экспериментальные исследования параметров циклической трещиностойкости стали Ст3 при различных вариациях двухосного нагружения, проведенные на стенде BI-00-502 50kN Biaxial test system. Основные теоретические и экспериментальные результаты получены с использованием методов линейной механики разрушения.
Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов и средств экспериментальных исследований. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью регрессионного анализа. Достоверность теоретических исследований подтверждается установленным совпадением частных численных решений с литературными данными, полученными другими авторами, и применением общепринятых методов корреляционного и регрессионного анализа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: семинаре «Autumn Retreat in Hockendorf - 2013» г. Фрайберг, Германия; XIV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех – 2013», Ухта; XVII Международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» 2013г., Томск; Международном форуме - конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» СПГГУ, 2011г., Санкт-Петербург; XV Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» 2011г., Томск; X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких техно-5
логий в промышленности», 2010г., Санкт-Петербург; VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», 2009г., Омск.
Исследования поддержаны стипендией Иван Губкин 2013 -2014 гг. Германской службы академических обменов DAAD.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Реализация результатов работы. Разработанная инженерная методика прогнозирования остаточного ресурса резервуаров при малоцикловом нагружении используется в ЗАО Научно-техническом центре «Технология, экспертиза и надежность» и ЗАО «Центр технической безопасности и диагностики «Полисервис».
Научные и практические результаты исследований рекомендованы к использованию в учебном процессе подготовки магистров, обучающихся в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по направлению 131000 «Нефтегазовое дело».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, изложенных на 160 страницах. Содержит 65 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 168 наименований.
Анализ исследований роста усталостных трещин в условиях двухосного нагружения
Впервые влияние вида нагружения на скорость роста усталостной трещины исследовал Хант [143]. Им было установлено, что компонента напряжений, действующая параллельно плоскости трещины, уменьшает скорость роста трещины при двухосном нагружении по сравнению с одноосным растяжением. В дальнейшем эффект замедления скорости роста трещины в поле растягивающих двухосных напряжений и увеличения при растяжении – сжатии был подтверждён в работах Миллера К. [154], Лю A. и Дитмера Д. [153], Сандера Р. и Ильченко Б. [165], Джонса Д. и Эфтиса Дж. [146], Брайде Н. [136], Гаретта Г. [140].
Миллер К. в работе [154] описывает результаты испытаний плоских образцов со сквозной трещиной на равнодвухосное растяжение, растяжение – сжатие, одноосное растяжение. Исследователь установил, что наибольшая скорость роста трещин наблюдается при растяжении – сжатии, наименьшая – при двухосном растяжении. Схожие результаты были получены Ито и Шимамото [145] на крестообразных образцах толщиной 2,5 мм из магниевого сплава. Андерсон и Гаррет [134, 140] показали, что равнодвухосное растяжение приводит к уменьшению скорости роста трещины по сравнению с одноосным нагружением, а растяжение – сжатие, практически чистый сдвиг, приводит к увеличению скорости роста трещины почти в три раза по сравнению с одноосным нагружением.
Противоположные результаты были получены Юки и др. в работе [168]. Экспериментальные исследования [168] показали, что двухосность нагружения влияет на скорость роста трещины только при высоких уровнях нагрузки. Резкий рост скорости при равнодвухосном и одноосном нагружении наблюдается при переходе с нормального отрыва на чистый сдвиг. Ли и Тейлор [152], Мисак [155, 156] установили, что для тонких пластин с толщиной рабочей части до 6 мм скорость роста трещины возрастает при увеличении коэффициента двухосности напряжений. Танака в работе [166] продемонстрировал, что на крестообразных образцах с толщиной рабочей части 2 мм со сквозной трещиной при растяжении - сжатии скорость трещины уменьшалась, а при двухосном растяжении увеличивалась.
Для образцов из стали 20 и алюминиевого сплава АК6 с толщиной рабочей части 10 мм [9, 10, 160]; сплавов Д16АТ и ОТ-4 с толщиной 5 мм и утонением в центральной части до 2 мм [95] установлено, что при увеличении коэффициента двухосности скорость роста трещины возрастает.
Таким образом, влияние вида двухосного нагружения на скорость роста трещины до сих пор однозначно не установлено.
Для оценки скорости роста трещины и характеристик трещиностойкости материала при циклическом нагружении используются методические указания РД 50-345-82 [86]. Для испытаний рекомендуются образцы с исходной трещиной двух групп:
I группа: образцы, в которых КИН зависит от длины трещины;
II группа: образцы, в которых КИН, в определенном интервале длин трещин, практически от нее не зависит.
Образцы обеих групп испытываются на осевое и внецентренное растяжение, на круговой изгиб. Однако характерной чертой эксплуатации резервуаров является двухосное напряженное состояние, вызываемое продольными сжимающими и кольцевыми растягивающими напряжениями. Таким образом, для исследования характеристик циклической трещиностойкости резервуарных сталей необходимо создать в рабочей зоне образца поле напряжений, которое будет эквивалентно напряженному состоянию элементов конструкции РВС в условиях эксплуатационного нагружения.
Все способы получения такого напряженного состояния можно разделить на три основные группы [20, 32, 34, 50, 53, 54, 77, 99, 104]:
группа 1: испытания на специальных образцах (рисунок 1.5а);
группа 2: испытания на образцах с криволинейной поверхностью (рисунок 1.5б);
Конечно-элементные модели резервуаров с поверхностной трещиной. Обоснование сходимости результатов
Анализ литературы [7, 75, 101, 119, 120, 132] показал, что точность результатов расчета КИН во многом определяется размерами конечно-элементной модели, особенно в областях сингулярности напряжений. Данная особенность предполагает, что в области фронта трещины конечно-элементная сетка должна быть более подробной, чем в основной конструкции, а размеры элементов значительно меньше геометрических размеров трещины. Такие требования, предъявляемые к построению модели, существенно увеличивают размерность задачи и соответственно время расчета. Использование методики подмоделирования, когда расчет проводится только для небольшой области конструкции с более мелкой сеткой, помогает решить эту проблему.
Применительно к задаче данного исследования результаты расчета НДС РВС, полученные в разделе 2.3, необходимо записать в текущую рабочую директорию проекта в формате rst для ПК Ansys или odb для ПК Abaqus с целью их дальнейшей интерполяции, как граничных условий на подмодель. Отдельным проектом моделируется трехмерный фрагмент первого пояса резервуара, в котором планируется сгенерировать трещину. Подмодель располагается в тех же координатах, в которых этот участок находится в стенке РВС. Следует обратить особое внимание, что размер фрагмента должен быть таким, чтобы граничные условия не оказывали какого-либо значительного влияния на критическую область вблизи трещины.
В ПК Ansys для интерполяции перемещений из полной модели в подмодель необходимо использовать функцию «Structural DOF» с указанием типа подмоделирования shell-solid. В ПК Abaqus необходимо в модели подмодели отметить во вкладке edit attributes, что расчет производиться для submodeling с указанием файла с расширением odb полной модели. В обоих программных комплексах к подмодели прикладываются нагрузки, которые действуют на данную область в полной модели.
С целью проверки переноса граничных перемещений через поверхность раздела подмодели в обоих программных комплексах было проведено сравнение распределений суммарных перемещений (Total displacement) для полной модели и подмодели (рисунок 2.15). Графики распределения перемещений совпадают, что свидетельствует о корректности задания граничных условий.
Использование конечных элементов solid в подмодели дало возможность рассчитать распределение напряжений по толщине стенки первого пояса РВС – 10000, представленное на рисунках 2.16 – 2.18. Полученные данные демонстрируют, что в первом поясе существуют изгибные напряжения, которые могут оказывать влияние на процесс развития трещины.ПК Ansys WB располагает инструментом Fracture – Crack, который позволяет автоматически создавать поверхностные полуэллиптические трещины. Для использования данного инструмента необходимо создать локальную систему координат, являющуюся центром трещины, задать малый и большой полуэллиптические радиусы трещины, радиус наибольшего контура интегрирования, количество точек по фронту трещины и число контуров интегрирования. Подмодель с дефектом разбивается тетраэдрами, генерация сетки по фронту трещины происходит автоматически. Конечно-элементная модель трещины в ПК Ansys представлена на рисунке 2.19. Для решения данной задачи используется решатель Sparse Solver.Для моделирования трещины в стенке РВС в ПК Abaqus использовался прямоугольный блок конечно-элементной модели поверхностной полуэллиптической трещины (рисунок 2.20) с регулярной гексаэдрической сеткой, разработанный на кафедре Прикладной механики и механики твердого тела Технического университета Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия). В данном боксе для моделирования трещины были созданы вспомогательные поверхности, очерченные дугами, для генерации в вершине трещины сингулярных элементов с узлами, сдвинутыми на в сторону вершины. Соотношение полуосей трещины является постоянным и равным 1/3. Более подробно методика создания данного блока с полуэллиптической трещиной описана в работе [151]. Прямоугольный блок, в котором находится трещина, можно масштабировать в зависимости от требуемого соотношения глубины трещины к толщине стенки. Рисунок 2.20 - Конечно-элементная модель трещины в ПК Abaqus
Для расчета КИН необходимо в подмодели удалить объем равный объему прямоугольного блока с трещиной. В командную строку вставить скрипт для создания группы узлов, определяющих фронт трещины и использующихся для расчета параметрического угла эллипса. Перенести подмодель в центр глобальной системы координат, провести все необходимые операции по сборке темплета и подмодели. Вставить скрипт для определения нормального вектора распространения трещины. С помощью команды merge объединить узлы подмодели и бокса с трещиной. К полученной новой модели приложить необходимые нагрузки и граничные условия. Выходными данными является зависимость КИН от параметрического угла эллипса.
Характеристики циклической трещиностойкости стали Ст3 при двухосном нагружении
Основная цель исследования характеристик циклической трещиностойкости материалов состоит в установлении зависимости скорости роста трещины от параметра, характеризующего НДС вокруг ее вершины, т.е КИН.
Обработка результатов испытаний образцов проводилась в соответствии с рекомендациями [86, 124, 161, 162] с использованием метода линейной регрессии. Исходными данными для определения скорости роста трещины служат значения длин трещин и соответствующие им числа нагружения, расположенные в порядке возрастания. Скорость роста трещины, в случае, когда интервалы между замерами отличаются не более чем на 30%, рекомендуется определять как da ai+1 -а, (3.4) dN Ni+1 -N, Для каждой скорости роста трещин необходимо определить КИН к 4}йи.+ ч_л )cos2cJу М (3.5) где a - длина трещины; a/w - относительная длина трещины в соответствии с рисунком 3.25; а - номинальное напряжение; а - угол исходной ориентации дефекта. Для исследуемого образца с целью определения входящих в уравнение (3.5) К - тарировочных функций были сформированы МКЭ расчетные схемы для полного диапазона относительных длин трещины и рассматриваемых видов нагружения. Рисунок 3.25 - Модель крестовидного образца с прямолинейной горизонтальной центральной трещиной
Алгоритм расчета К-тарировочных функций для экспериментальных образцов различной геометрии подробно описан в работе [161]. Согласно подходу, предложенному автором данной работы, первоначально необходимо определить Т-напряжения и далее на их основе К-тарировочные функции.
Т-напряжения - понятие, введенное Райсом [159], являются вторым несингулярным членом разложения напряжений в области вершины трещины, характеризующим условия внешнего нагружения и геометрии трещины, в соответствии с уравнением (3.6). Изменение Т-напряжений от отрицательных до положительных величин приводит к перераспределению напряжений в пластической области вершины трещины. Известно, что представление полей НДС в вершине трещины с удержанием членов высоких порядков позволяет оценивать напряжения в вершине трещины на 32 - 38% точнее. Т-напряжения действуют параллельно плоскости трещины. где о-у - компоненты тензора упругих напряжений; О, г - полярные координаты, центрированные на вершину трещины. Т-напряжения рассчитывались через компоненты перемещений на верхней и нижней поверхностях трещины согласно рекомендациям [135] и записаны в виде выражения 2 плоское напряженное состояние плоская деформация где ux - перемещения параллельные поверхности трещины; ju - коэффициент Пуассона. На рисунке 3.26 показано распределение Т-напряжений, нормированных на величину прикладываемых напряжений к лепесткам образца, в зависимости от относительной длины трещины и вида нагружения. Установлено, что в случае равно двухосного растяжения (rj=+l) для полного диапазона относительных длин трещины Г-напряжения равны нулю. Для остальных видов напряженного состояния (rj=+0,34; -0,2; -0,4) по мере увеличения относительной длины трещины значения Г-напряжений изменяются в отрицательную сторону. По формуле (3.8) с использованием рассчитанных Г-напряжений были определены -тарировочные функции, представленные на рисунке 3.27.
Рисунок 3.27 - Распределения i -тарировочных функций при различных видах двухосного нагружения в зависимости от относительной длины трещины
Таким образом, для всех рассматриваемых видов двухосного напряженного состояния rj=+l; +0,34; -0,2; -0,4 по результатам эксперимента были получены кинетические диаграммы усталостного разрушения (рисунок 3.28), представляющие собой зависимости скорости роста трещины da/dN от максимального значения КИН к1ШХ в логарифмических координатах.
Данные, полученные в ходе эксперимента, показывают, что при равнодвухосном растяжения =+1 скорость роста трещины выше, чем при других рассматриваемых видах нагружения (=+0,34; -0,2; -0,4). Это связано с тем, что вид напряженного состояния через зону пластичности у вершины трещины оказывает влияние на скорость роста трещины. Согласно результатам работы [163] размер зоны пластичности в случае равнодвухосного растяжения значительно меньше, чем при остальных типах рассматриваемых нагружений. Для исследуемого материала увеличение размера зоны пластичности приводит к снижению скорости роста трещины.
Также на скорость роста трещины влияют Т-напряжения (рисунок 3.26). В литературе [44, 45, 127, 161] сложилось мнение, что положительные значения 100
Т-напряжений увеличивают стеснение в области вершины трещины, а отрицательные величины ослабляют эффекты стеснения. При равнодвухосном растяжения (=+1) Т-напряжения равны нулю и размер зоны пластичности минимален, при этом скорость роста трещины выше, чем при других видах нагружения. Для остальных рассматриваемых видов нагружения (=+0,34; -0,2; -0,4) зона пластичности увеличивается и скорость роста трещины снижается, по мере того как Т-напряжения принимают отрицательные значения.
Методика определения срока безопасной эксплуатации основного металла стенки резервуаров при малоцикловом нагружении
Следует заметить, что для оценки остаточного ресурса целесообразно привлечение обоих подходов. Однако, довольно часто статистические данные о дефектах, режимах эксплуатации, причинах аварий не являются общедоступной информацией, что накладывает ограничения на использование вероятностных методов прогнозирования ресурса. Поскольку нельзя судить о достоверности прогноза, если выборка данных ограничена. Таким образом, детерминированные подходы для анализа возможности продления ресурса резервуаров, поврежденных трещинами, представляются более перспективными. При этом особое внимание следует обратить, на разработку критериев и унифицированных методов анализа критического состояния, безопасности РВС с трещиноподобными дефектами на основе подходов механики разрушения.
На основании проведенных в данной работе исследований была разработана методика прогнозирования остаточного ресурса РВС с поверхностной усталостной трещиной. Предлагаемый алгоритм расчета остаточного ресурса резервуара основан на детерминистическом подходе и заключается в определении срока эксплуатации в годах t РВС с поверхностной трещиной.
Исходными данными для определения срока безопасной эксплуатации основного металла первого пояса РВС с дефектом являются:
Эксплуатационные данные: г - радиус срединной поверхности резервуара, м; t - толщина стенки резервуара, м; Н - высота резервуара, м; h -уровень налива нефтепродукта, м; hп - высота первого пояса резервуара, м. Для расчетов цикличность нагружения следует принимать равной приведенной цикличности за последний год эксплуатации резервуара.
Параметры трещины, выявленные в процессе технического диагностирования: 2а - длина дефекта, м; Ь0 - глубина дефекта, м; с -расстояние от днища резервуара до центра дефекта, м.
При определении срока безопасной эксплуатации стенки с трещиноподобным дефектом принимаются следующие положения:
1. в процессе роста трещины отношение между ее глубиной и длиной остается постоянным и составляет 1/3;
2. расчет проводится для трещины, расположенной перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям;
3. расчет ведется в упругой постановке;
4. расчет ведется для каждой конкретной трещины в стенке РВС.
Следует отметить, что рассматриваемые трещины относятся к микродефектам, по степени их влияния на НДС конструктивных элементов РВС. Как указано в работе [15] напряжения от микродефектов локализуются в близости от самого повреждения и приводят к потере несущей способности конструкции в результате малоцикловой усталости.
Предлагаемая методика оценки остаточного ресурса стенки резервуара с поверхностной усталостной трещиной включает в себя:
1. Определение номинальных кольцевых ощ и продольных апр напряжений, коэффициента двухосности напряжений ц=оПЇ/ощ в зоне расположения дефекта с использованием МКЭ. Для этого следует использовать статический прочностной анализ. Геометрическая модель должна отображать все конструктивные особенности РВС для корректной оценки номинальных напряжений.
2. Вычисление максимального размаха кольцевых напряжений Ааш=а -ст2\ (4.4) кц щ кц , где сгГх,сгп - максимальное и минимальное значение кольцевых КЦ КЦ напряжений в процессе эксплуатации.
3. Расчет КИН кj трещины при различных условиях эксплуатации и варьировании отношения глубины трещины к толщине стенки с помощью МКЭ. Определение К-тарировочной функции 77.
4. Экспериментальное определение параметров циклической трещиностойкости Kth,Kfc,K ,n металла в условиях двухосного нагружения.
5. Вычисление размеров не распространяющейся bth и критической Ъс трещины с учетом К-тарировочной функции соответственно по формулам 4.5 и 4.6: где о_х - предел выносливости.
6. Итерационный расчет числа циклов стабильного роста трещины при заданном рабочем напряжении, определенном в зависимости от максимального уровня взлива где – критическая глубина трещины; kv - коэффициент запаса по скорости роста трещины. Предполагается, что исчерпание работоспособности конструкции происходит в следующих случаях:
КИН в самой глубокой точке фронта трещины достигает предельного значения Кfc, что приводит к неконтролируемому лавинообразному росту трещины; глубина поверхностной трещины Ь достигает критического значения bmt. В работе [76] рекомендуется в качестве критической глубины трещины принимать значение равное 80% толщины стенки. 7. Расчет остаточного срока службы резервуара в годах (Т) Т_ N (4.8) Ягод , где ТУгод - число циклов нагружения за последний год; Т - срок безопасной эксплуатации конструкции с дефектом.
Определим циклическую долговечность РВС - 5000 с трещиноподобным дефектом. Материал стенки резервуара сталь ВСт3сп. Необходимая исходная информация представлена в таблице 4.1. Уровень заполнения резервуара в 70 % случаев составляет 95% от максимально допустимого, в остальных случаях не ниже 65%. В результате технической диагностики был обнаружен трещиноподобный дефект длиной 2а=12 мм, глубиной Ь=2 мм. Трещина располагается на внешней стороне стенки на расстоянии с=700 мм от днища резервуара.
Рассчитаем число циклов до разрушения стенки резервуара, если трещина расположена в стенке между патрубками и вне зоны влияния конструктивных концентраторов напряжений на НДС. Дополнительно определим число циклов по методике, представленной в РД 153-112-017-97 «Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров» [84].
