Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ современного состояния резервуарных парков 11
1.1 Особенности существующих конструкций резервуаров 11
1.2 Анализ особенностей напряженно-деформированного состояния резервуаров 15
1.3 Анализ механических и химических свойств резервуарных сталей используемых в условиях Западной Сибири 20
1.4 Анализ причин отказов вертикальных стальных резервуаров 23
1.5 Статистическая обработка результатов технического диагностирования резервуаров Западной Сибири 32
Выводы по I главе 37
Глава II. Особенности дефектов сварных швов стенки стальных резервуаров 39
2.1 Систематизация дефектов сварных швов 39
2.2 Характеристики дефектов сварных швов резервуаров
2.3 Технологические особенности процесса сварки резервуарных металлоконструкций 46
2.4 Физические основы образования дефектов сварных швов резервуаров48
Выводы по II главе 53
Глава III. Методика оценки влияния протяженных дефектов сварных швов на прочность стенки резервуара 54
3.1 Особенности концентрации напряжений в стенке резервуара с протяженными дефектами 55
3.2 Влияние особенностей фундамента и грунтового основания на НДС резервуара с дефектами
3.3 Влияние усталостных явлений металла на прочность дефектного сварного шва стенки резервуара 63
3.4 Определение значимых размеров протяженных дефектов сварки 70
3.5 Определение уровня допускаемых напряжений в стенке резервуара с протяженным дефектом сварного шва 72
3.6 Применение диаграммы оценки прочности для многопараметрического учета дефектов сварных швов стенки РВС 76
3.7 Определение эксплуатационных нагрузок резервуара при наличии подрезов сварных швов стенки 84
3.8 Основные положения методики оценки влияния дефектов сварки на НДС резервуара 88
Выводы по III главе 91
Глава IV. Практическая реализация результатов работы 92
4.1 Разработка программного обеспечения для реализации представленной методики оценки 92
4.2 Пример использования разработанного программного продукта для оценки влияния дефектов металлоконструкций стенки резервуара на НДС резервуара 95
4.3 Оценка погрешности результатов расчетов 100
4.4 Результаты оценки влияния дефектов сварных швов стенки на НДС и остаточный ресурс 101
4.5 Обобщение результатов оценки влияния дефектов сварных швов стенки РВС
4.6 Разработка предложений по внесению изменений в РД-25.160.10-КТН 050-06
Выводы по IV главе 122
Основные выводы 123
Библиографический список
- Анализ механических и химических свойств резервуарных сталей используемых в условиях Западной Сибири
- Технологические особенности процесса сварки резервуарных металлоконструкций
- Влияние усталостных явлений металла на прочность дефектного сварного шва стенки резервуара
- Пример использования разработанного программного продукта для оценки влияния дефектов металлоконструкций стенки резервуара на НДС резервуара
Введение к работе
Актуальность темы работы
Резервуарные парки (РП) России, введенные в эксплуатацию в 70 – 80 годы прошлого столетия, к настоящему моменту превысили свой нормативный ресурс. Существующая система планового технического диагностирования и ремонта обеспечила сохранность большей части резервуарных ёмкостей в работоспособном состоянии. С совершенствованием методов технической диагностики и ужесточением требований нормативных документов возникла необходимость устранения многочисленных дефектов сварных швов (СШ) стенки резервуара, заложенных еще на этапе его строительства. Несмотря на то, что резервуары с дефектами СШ безаварийно эксплуатировались в течение многих лет, требования нормативных документов обязывают их устранять. Этим обусловлен вывод из технологического процесса перекачки нефти значительного количества резервуаров, что может нарушить работу трубопроводной системы в целом. Проблема освещалась в ежегодном докладе о деятельности управлений по технологическому и экологическому надзору Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на территории Уральского федерального округа в г. Екатеринбурге за 2008 г. В такой ситуации разработка методики оценки влияния дефектов СШ на уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуара, обосновывающей очередность и необходимость проведения ремонта, становится актуальной.
Цель работы: совершенствование методики оценки влияния дефектов сварных швов стенки РВС на величину действующих напряжений для обоснования возможности дальнейшей эксплуатации резервуара и определения очередности проведения ремонтов. Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:
-
Установить закономерности определения дефектности сварных швов стенки РВС на основе статистического анализа результатов технического диагностирования натурных объектов.
-
Получить зависимости, связывающие параметры дефекта СШ с коэффициентом концентрации напряжений для различных типоразмеров резервуаров.
-
Установить зависимости между габаритными размерами резервуара и величиной его НДС при наличии дефектов сварных швов.
-
Разработать методику оценки влияния дефектов сварки на величину НДС резервуара с учетом их геометрии, местоположения, типоразмера резервуара и характера эксплуатационных нагрузок.
Научная новизна результатов
-
Выявлены статистические зависимости между глубиной, длиной и уровнем дефектности СШ стенки РВС в вероятностной постановке по результатам обследования 28 резервуаров.
-
Получены зависимости, связывающие параметры дефекта СШ с коэффициентом концентрации напряжений в стенке РВС различных типоразмеров.
-
Установлены зависимости изменения уровня НДС резервуаров различных типоразмеров от длины и глубины дефектов сварных швов стенки, позволяющие оценить степень опасности дефекта.
-
Разработана методика оценки влияния дефектов СШ стенки резервуара на его общее напряженно-деформированное состояние, учитывающая местоположение дефекта, его геометрические размеры и типоразмер РВС.
Практическая значимость результатов
-
Полученные прогнозируемые значения уровня дефектности СШ стенки РВС позволяют оценить уровень затрат на предстоящий ремонт еще до начала технического диагностирования резервуара.
-
Разработанная методика оценки влияния дефектов сварки на НДС резервуара дает возможность определить степень опасности дефекта по уровню и характеру распределения напряжений в дефектной стенке с учетом геометрических размеров и местоположения дефекта на резервуаре, а также масштабного фактора.
-
Результаты расчетов описаны зависимостями, связывающими типоразмер резервуара, местоположение и размер дефекта с уровнем НДС стенки, которые позволяют оценить степень опасности дефекта.
-
Предложения по внесению изменений в действующие НТД позволяют актуализировать критерии разбраковки сварных соединений корпуса РВС и
определить очередность вывода резервуара из эксплуатации для проведения ремонта или реконструкции либо обосновать возможность безопасной эксплуатации объекта без устранения имеющихся дефектов на срок до следующего планового капитального ремонта.
Соответствие диссертации паспорту специальности
Область исследования, связанная с оценкой влияния дефектов сварных швов стенки РВС на уровень их НДС, соответствует паспорту специальности 25.00.19 – «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов баз и хранилищ», а именно: п.п. 1 «Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ», п.п. 5 «Разработка научных основ и усовершенствование технологии хранения нефти, газа и нефтепродуктов и методов сооружения подземных и наземных газонефтехранилищ».
Апробация работы
Представленная методика оценки влияния дефектов на уровень НДС резервуара была успешно апробирована на эксплуатирующихся резервуарах ряда нефтеперекачивающих станций системы АК «Транснефть», расположенных в Среднем Приобье. Предложенные решения успешно прошли экспертизу в Федеральном автономном учреждении «Главное управление государственной экспертизы» - ФАУ «Главгосэкспертиза России» г. Москва. Основные положения диссертационной работы докладывались в рамках VI научно-практической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть», Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 45-летию со дня основания Индустриального института им. Ленинского комсомола, Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии – нефтегазовому региону - 2010», Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта - 2010», Международной научно-
технической конференции «Транспортные и технологические системы -2010», Межрегиональном научно-практическом семинаре «Рассохинские чтения», г. Ухта, 2011г.
Публикации
По результатам исследований опубликовано 7 статей, в том числе 3 статьи в журналах из перечня российских научных изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Анализ механических и химических свойств резервуарных сталей используемых в условиях Западной Сибири
Конструктивные решения корпуса РВС, его фундамента и грунтового массива, слагающего основание резервуара, в значительной степени определяют особенности и без того сложного напряженно-деформированного состояния резервуара. Рассматривая дефектные конструкции необходимо учитывать все перечисленные факторы, что позволит наиболее точно оценить опасность того или иного дефекта.
Значительные конструктивные различия резервуары имеют в части покрытия, использующегося на них. Различают резервуары со стационарными крышами типа РВС (см. рис. 1.3, а), когда шиты покрытия опираются на кольцо жесткости, в верхней части стенки и на стойку в центре резервуара. Кровля может полностью опираться только на опорное кольцо жесткости и передавать всю нагрузку на стенку резервуара, такие кровли называют самонесущими [80]. Применение простых стационарных покрытий на резервуарах определяет большие потери нефтепродукта при больших дыханиях, происходящих во время заполнения опорожнения резервуара. Для снижения таких потерь были созданы конструкции покрытий, сокращающие объем испарений путем предотвращения газообмена нефтепродукта с атмосферой, перемещающиеся вслед за уровнем нефти в резервуаре - плавающие крыши и понтоны.
Основным недостатком резервуаров с плавающими крышами типа РВСПК (рис. 1.3, в) считается невозможность применения в условиях значительных снеговых нагрузок, а также проблемы заклинивания покрытия относительно стенки резервуара при ассиметричном скоплении снеговых масс.
Существуют также самонесущие конструкции из стали и алюминия. Для сокращения потерь нефтепродуктов от «больших дыханий» в северных климатических зонах с обильным снеговым покровом применяют сочетание стационарной кровли и плавающей крыши - резервуары типа РВСП -резервуар вертикальный стальной с понтоном (рис. 1.3, б). В таких резервуарах снеговая нагрузка и жидкие атмосферные осадки приходятся на стационарное стальное покрытие, а предотвращение испарения нефтепродукта осущеетвляетея за счет применения понтона, перекрывающего контакт нефтепродукта с газовым пространством внутри резервуара. Наибольшее распространение получили покрытия сфероцилиндрической формы, не имеющие каркаса и состоящие из цилиндрических лепестков, вписанных в сфероидальную поверхность. При строительстве резервуаров с такой кровлей центральная стойка часто требуется только для монтажа лепестков, после чего может демонтироваться. Для нефтепромыслов, крупных нефтебаз и резервуарных парков ЛПДС часто применяют вертикальные резервуары со сферическим покрытием без центральной стойки, что в сочетании с индустриальным методом изготовления стенки позволяет снизить стоимость такого резервуара на 20-30%. Сферическое покрытие представляет собой купол, щиты которого одним краем опираются на опорное кольцо жесткости, расположенное на верхнем поясе стенки, а в центре соединяются между собой так, что образуют самонесущую конструкцию.
Напряженно-деформированное состояние резервуара оценивается по двум основным группам критериев - прочности и устойчивости исходя из допущения, что стенка РВС считается сверхтонкой оболочкой. Для большинства типовых резервуаров отношение толщины стенки к радиусу кривизны оболочки составляет от 1:2000 до 1:1000. При восприятии эксплуатационных нагрузок неизбежно происходит деформирование корпуса РВС и изменение напряженного состояния. Установлено, что максимальные растягивающие напряжения возникают в кольцевом направлении и обуславливаются гидростатической нагрузкой. При этом кольцевые напряжения прямо пропорциональны высоте столба жидкости и обратно пропорциональны толщине стенки резервуара в рассматриваемом сечении. В литературе также приводятся типовые формулы для определения кольцевых напряжений и деформаций, возникающих от гидростатической нагрузки. Погрешности определения деформаций и напряжений, заложенные в этих формулах, обусловлены чаще всего пренебрежением осевых напряжений в стенке, когда в расчет берутся только кольцевые напряжения. Несмотря на наличие погрешностей, такой подход рекомендован к применению в нескольких нормативных документах, в том числе [37].
Осевая составляющая НДС резервуара обуславливается действием собственного веса конструкции кровли и оборудования, установленного на ней и снеговой нагрузки. Таким образом, для большинства резервуаров, осевые напряжения являются сжимающими по знаку и в 50-100 раз меньшими по величине, в сравнении с кольцевыми, именно поэтому ими и пренебрегают в расчетах.
Считают, что на большей части стенки РВС напряжения распределены равномерно, исключение составляет изгиб нижней части стенки и узел сопряжения стенки с днищем. В этом месте возникают деформации, часто имеющие пластический характер, обусловленные краевым эффектом.
Вторая группа критериев оценки НДС резервуара отражает деформации и форму корпуса резервуара и определяет показатели устойчивости - способности тонкостенной конструкции сохранять равновесную устойчивую форму при действии сжимающих напряжений. Показатели устойчивости для резервуара не менее важны, чем прочностные показатели [91, 92]. Для оценки деформаций корпуса при каждом обследовании резервуаров проводится нивелировка наружного контура днища и геодезические измерения формы стенки. Однако даже при идеальной геометрии резервуара известны случаи потери устойчивости, вызванные образованием вакуума при высокой скорости опорожнения резервуара. После потери устойчивости, особенно с образованием зон пластических деформаций, резервуар должен выводитьея из эксплуатации для оценки его состояния с привлечением экспертных организаций
Технологические особенности процесса сварки резервуарных металлоконструкций
При строительстве стальных резервуаров различают два вида сварочно-монтажных работ: изготовление рулонных заготовок в заводских или приближенных к заводским условиях с последующим монтажом заготовок на строительной площадке; полистовой способ сооружения, когда на строительной площадке каждый лист резервуарной стали монтируется с применением ручной электродуговой или полуавтоматической сварки. Первый из двух методов в настоящее время не применяется, поэтому рассматривается только процесс сварки металлоконструкций на строительной площадке.
Процесс сварки резервуаров имеет ряд технологических особенностей; значительная протяженность сварных швов; сравнительно малая толщина свариваемого проката; малые объемы расплавленного и нагретого при сварке металла; быстрый отвод тепла от расплавленного металла в основной металл; активное действие атмосферных газов на сварной шов.
Действие активных компонентов атмосферного воздуха заключается во включении отдельных атмосферных газов в металлургические процессы, проходящие в сварочной ванне. При этом молекулы ряда активных элементов, таких как водород, азот и кислород под действием высоких температур сварочной дуги диссоциируют и частично распадаются на атомы. В атомарном состоянии указанные химические элементы обладают большей химической активностью, чем в составе молекул. Как следствие, в процессе сварки свободные атомы более интенсивно насыщают металл азотом и водородом, а активный кислород приводит к окислению ряда элементов. Значительная протяженность сварных швов обуславливается габаритами резервуаров. В настоящее время для строительства и ремонта резервуаров применяют чаще всего два вида стандартных листов резервуарной стали: 6000x1500 мм и 8000x2000 мм. Стоит отметить, что из таких листов собираются резервуары не только малого объема, но и крупногабаритные - объемом 20-100 тыс. м . Такие листы имеют толщину от 6 до 25 мм, что в сравнении с линейными размерами листа является крайне малой величиной, поэтому процесс сварки таких элементов характеризуется малыми объемами расплавленного металла, что в сочетании с интенсивным отводом тепла в окружающий основной металл приводят к высокой скорости протекающих металлургических процессов и химических реакций, которые часто не успевают полностью завершиться. Происходит скорейшее затвердевание и кристаллизация расплавленного при сварке металла, что негативно сказывается на структуре и строении твердого металла сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ).
В процессе сварки металлоконструкций резервуаров в нижнем пространственном положении происходит разбрызгивание расплавленного металла, который в последствии «прилипает» в околошовной зоне и создает дополнительные трудности при контроле качества сварных соединений, а так же при нанесении противокоррозионных составов, поэтому зачистке металла околошовной зоны при сварке резервуаров уделяется значительное внимание.
Указанные выше особенности сварных соединений конструкций резервуаров затрудняют получение качественных равнопрочных сварных соединений. Для снижения указанного негативного влияния - быстрого окисления, образования пор, закалочных структур, трещин и трещиноподобных дефектов сварных швов применяют специальные технологии и режимы сварки, особые электроды и проволоки, часто применяют предварительный и сопутствующий подогрев сварных соединений. В качестве наиболее технологичных сталей для изготовления резервуарных конструкций выбирают качественную низколегированную сталь 09Г2С или сталь обыкновенного качества Ст 3. Эти стали обладают отличной свариваемостью, высокими механическими характеристиками и трещиностойкостью.
В практике технической диагностики и обследования технического состояния стальных резервуаров с развитием современных диагностических устройств и технологий стало возможно выявлять множественные дефекты сварных швов, которые очевидно были заложены еще на этапе строительства. Такие дефекты долгое время оставались без внимания и контролирующие организации не требовали их устранения, т.к. их наличие не отражалось в технических отчетах по диагноетике. В настоящее время эти необнаруженные ранее дефекты активно устраняют, ввиду их недопустимости в соответствии с действующими нормативно-техническими документами. На эти цели затрачиваются огромные средства, а объекты резервуарных парков для устранения дефектов все чаще и чаще выводятся из эксплуатации. В практике техничеекого диагностирования автор неоднократно сталкивался со случаями, когда выведение из эксплуатации таких резервуаров нарушает технологический режим работы целых НПС и ЛПДС.
В данной ситуации становится необходимым оценка пригодности резервуара с подобным дефектов к эксплуатации на определенный короткий срок, к примеру, пока не будет введен в эксплуатацию соседний резервуар парка, что обеспечит перекачку на заданных режимах. Для этого необходимо создать четкий и в то же время простой алгоритм действий, реализуемый без привлечения сложных математических аппаратов любым инженером.
Для создания такого алгоритма следует определить природу рассматриваемых дефектов - от процесса и причин их зарождения до конечного влияния конкретного дефекта на прочность резервуара в целом, е учетом циклического характера и знакопеременное нагрузок.
Рассмотрим причины наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов стенки резервуаров. Для этого стоит разграничить все дефекты на внешние и внутренние, при этом оценка влияния внутренних, трудно диагностируемых дефектов в данной работе не рассматривается. К внешним дефектам отнесем различные нарушения геометрических размеров сварного шва, наружные трещиноподобные дефекты, и наружные нетрещиноподобные дефекты.
Нарушение геометрических размеров сварного шва - отклонение по ширине и высоте шва - чаще всего возникает из-за неправильной подготовки кромок, когда расстояние между ними по длине шва получается различным и сварщику приходится заполнять уширения наплавленным металлом. Кроме того, к причинам нарушения геометрии шва в [64] относят неравномерное передвижение горелки и проволоки (электрода) сварщиком вдоль шва, вследствие чего высота и ширина шва не имеют постоянных величин, также к дефектам геометрии нередко приводят нарушения режимов сварки.
Влияние усталостных явлений металла на прочность дефектного сварного шва стенки резервуара
Как видно из таблицы, наличие подреза сварного шва значительно увеличивает концентрацию напряжений в месте дефекта. Однако, как уже говорилось выше, величина коэффициента концентрации напряжений не в полной мере описывает влияние протяженного дефекта, более того, приводит к абсурдным результатам расчета: если рассмотреть наличие подреза в перекрестии горизонтального и вертикального швов стенки резервуара, то коэффициент концентрации напряжений, отражающий влияние подреза, составит величину более 4,32. Учитывая уровень действующих в стенке РВС кольцевых напряжений порядка 180-190 МПа, в месте дефекта напряжения достигнут 820-900 МПа, при этом предел прочности стали 09Г2С равен -500 МПа. Совершенно очевидно, что пользоваться таким подходом, представленным в [37] недопустимо, результаты расчета выходят за пределы адекватности.
Существующие научные основы расчета сварных металлоконструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, предлагают в своей основе использовать метод, при котором допускаемые напряжения или расчетные сопротивления основного металла и металла сварных соединений определяют в зависимости от допускаемых напряжений при статических нагрузках, путем введения изменений через коэффициент динамичности циклических нагрузок [ус] 1 В общем случае данный коэффициент [ус] предлагается определять по формуле (3.5), в которой будут учитываться и эффективные коэффициенты интенсивности напряжений и характеристика цикла. Кроме того, вводятся 2 эмпирических коэффициента, полученных в [85] экспериментально. с Ъ.5Ъ-{а-Кэ + Р)-(а-Кэ-/3)-г (3.5)
Выше описывалось значение г, как характеристики цикла, применительно к резервуарным оболочкам граничные напряжения цикла берутся по абсолютной величине со следующими знаками: сжатие - «минус», растяжение - «плюс». Эмпирические коэффициенты а и /? предлагается определять из Очевидным недостатком такого подхода является отсутствие величин, отражающих масштабный фактор, в значительной степени изменяющий размеры полей действующих в месте дефекта напряжений. 3.4 Определение значимых размеров протяженных дефектов сварки
Для определения необходимости расчета уровня действующих напряжений в месте дефекта, следует определить значимую длину дефекта. Если фактическая длина дефекта меньше определенной настоящим расчетом, то оценка такого дефекта не требуется, дефект признается ничтожным и его влиянием на НДС резервуара можно пренебречь. В случае превышения второй критической длины, определенной настоящим расчетом, дефект также не оценивается и подлежит устранению как недопустимый (первоочередной). Для остальных дефектов с размерами от «значимого» до «второго критического» решение продолжается.
Действующие нормативные документы, рассматривающие прочность металлоконструкций резервуара, а также критерии отбраковки элементов конструкций в ходе диагностических мероприятий указывают на недопустимость наличия трещин стенки, ее сварных швов и уторного шва. Отметим, что в [37] указывается на то, что в случае наличия трещин на корпусе резервуара, никакие расчеты, обосновывающие возможность дальнейшей безопасной эксплуатации резервуара, не могут иметь силы. В этом же документе указано, что в случае наличия протяженных дефектов сварных швов необходима оценка трещиностойкости конструкций, работающих в условиях знакопеременных циклических нагрузок. При расчете трещиностойкости дефектного сварного шва, в качестве определяющих параметров запаса прочности, предлагается считать дефект сварки (подрез, цепочку пор и т.д.) за сквозную трещину, расчет при этом производится методами механики разрушения. Сопротивление конструкции хрупкому разрушению при наличии в сварном шве протяженного дефекта оценивается в [46] из неравенства (3.6): К К1С/щ (3.6) где: К( - коэффициент интенсивности напряжений в вершине мнимой трещины от протяженного дефекта; Кіс - вязкость разрушения основного металла сварного соединения; nk - коэффициент запаса по трещиностойкости (для стали 09Г2С nk=2); Значение критерия вязкости разрушения основного металла сварного шва взято из литературных источников и для стали 09Г2С составляет 36 МПа мш
Таким образом, критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) в вершине протяженного дефекта в сварном шве стенки резервуара, выполненного из стали 09Г2С составит 72 МПа м .
Рассматривая наихудший случай, когда протяженный дефект в стенке резервуара рассматривается как сквозная трещина сварного соединения, критический КИН в вершине данной мнимой трещины находится из выражения (3.7): К; 2тах (3.7) где: а2тах - максимальное кольцевое напряжение в стенке резервуара на уровне рассматриваемого дефекта; / - половина длины дефекта (полудлина), в качестве которой принимается половина длины протяженного дефекта сварного шва или суммарная полудлина цепочки (группы) протяженных дефектов.
Таким образом, классическая постановка задачи оценки трещиностойкости конструкции с протяженным дефектом сварного шва сводится к определению критических геометрических параметров дефекта, которые можно определить исходя из выражения (3.7). Минимальная длина наружного дефекта сварного шва (1деф) не должна превышать % критической длины сквозной трещины 1кр, при которой может произойти хрупкое разрушение, рассчитывается по формуле (3.8):
Определим вторую критическую длину сквозной мнимой трещины, к образованию которой могут привести сочетание эксплуатационных нагрузок и циклических характер нагружения. Для этого необходимо определить критическую суммарную длину дефекта (группы дефектов) в пределах сварного шва. Отметим, что под длиной сварного шва в данном случае рассматривается длина шва в пределах одного стандартного листа резервуарной стали, размерами 6000 х 1500 мм. При этом, длина горизонтального сварного шва равна 6000 мм, вертикального - 1500 мм.
Пример использования разработанного программного продукта для оценки влияния дефектов металлоконструкций стенки резервуара на НДС резервуара
Представленный результат отражает напряженно-деформированное состояние идеальной оболочки, где нет ни геометрических дефектов, ни сварных швов, ни дефектов металлоконструкций. Для учета перечисленных особенностей программным продуктом предусматривается возможность их внесения с помошью параметра «а». Данный параметр отражает геометрические характеристики протяженного дефекта через коэффициент Ньюмена, физический смысл которого подробно описан в III разделе диссертации, [116]. Таким образом, отметив «Учесть параметр а» и указав характеристики дефекта можно получить данные о его влиянии на НДС резервуара и его остаточный ресурс. Электронные таблицы с результатами оценки остаточного ресурса и влиянием на общее НДС резервуара представлены на рис. 4.6 и На представленном примере хорошо видно изменение уровня действующих в стенке резервуара напряжений, обусловленное наличием заданного протяженного дефекта сварного шва типа «подрез» с глубиной д=3,0 мм и длиной /=60 мм. Для оценки влияния представленного дефекта необходимо сравнить графические зависимости, представленные на рис. 4.5 и 4.7, где видно, что уровень действующих в дефектной стенке напряжений увеличился по сравнению с бездефектной идеальной стенкой практически в 2 раза. Однако, не смотря на значительное увеличение напряжений в стенке, они по прежнему находятся ниже критических значений, обозначенных красной линией на рис. 4.5 и 4.7, поэтому в данном случае прочность дефектной стенки обеспечена и данный дефект не представляет для рассмотренного конкретного резервуара опасности в эксплуатации.
Одновременно с этим нельзя не отметить значительное снижение остаточного ресурса дефектного резервуара, которое видно из электронных таблиц, представленных на рис. 4.4 и 4.6. Здесь определены значения остаточного ресурса резервуара через количество циклов, по достижении которого велика вероятность развития трещины из рассмотренного дефекта, что недопустимо и неизбежно приведет к разрушению резервуара. В представленных электронных таблицах приводятся 3 значения остаточного ресурса при разных значениях концентрации напряжений К . Отметим, что значение Ко=1,8 соответствует дефекту, расположенному на горизонтальном сварном шве, Ка=2,0 - дефекту вертикального сварного шва, Ко=2,2 -перекрестию горизонтального и вертикального сварных швов стенки резервуара. К примеру, снижение ресурса резервуара с дефектом сварного шва стенки, параметры которого описаны выше составляет 92,2%, и составляет 23525 циклов. Но и этот параметр не ограничивает эксплуатационные нагрузки резервуара - с таким дефектом при эксплуатации в 500 циклов/год такой резервуар может безопасно эксплуатироваться на протяжении 47 лет, что значительно превышает нормативный срок эксплуатации таких объектов.
В результате проведенного в примере расчета установлено, что заданный протяженный дефект удваивает уровень действующих в стенке резервуара эквивалентных напряжений, а также значительно снижает остаточный ресурс - на 92,2% из-за циклического характера нагружений. Однако указанное влияние не может ограничивать эксплуатацию рассмотренного резервуара и дает возможность обоснования возможности безопасной эксплуатации, по крайней мере, до следующего планового капитального ремонта, проведение которого не вызовет сколько-нибудь значимых изменений в работе резервуарного парка в целом.
Оценка погрешности результатов расчета осуществляется путем сравнения уровней действующих в стенке напряжений, определенных по алгоритмам двух методик: в качестве базового варианта для сравнения предложено брать уровень напряжений в бездефектной конструкции, в качестве расчетного - уровень напряжений в конструкции с элементарно малым дефектом. Для этого задаются заведомо незначимые длина и глубина дефекта - глубина 0,1 мм, длина 1 мм. В таком случае, очевидно, что какого-либо практического влияния на уровень действующих напряжений в стенке резервуара такой дефект оказать не может. Далее, с учетом выбранных параметров, решается задача определения коэффициента запаса прочности конструкции с дефектом и уровень действующих в месте дефекта напряжений. Полученные значения сравниваются со значениями, характерными для бездефектной конструкции. Погрешность значений действующих напряжений менее 5% считается удовлетворительной.
При выполнении расчета графическим путем, в случае превышения указанного предела погрешности, следует более точно проводить измерение длин отрезков диаграммы оценки прочности. Для этого рекомендуется пользоваться компьютерными программами, позволяющими при помощи точных координат вычислять длины отрезков.
Во избежание возникновения погрешности рекомендуется пользоваться разработанным программным комплексом, имеющим минимальные значения погрешности - от 2,5 до 4,5% в зависимости от типоразмера резервуара. Данные величины погрешности были проверены путем расчета с привлечением методов конечно-элементного моделирования.
