Содержание к диссертации
Введение С.
1. Литературный обзор 4
1.1 Анализ опасностей, связанных с эксплуатацией резервуаров товарных парков предприятий нефтепереработки
1.2 Причины аварий, возникающих при эксплуатации резервуаров 12
1.3 Причины и механизм возникновения (дефектов) трещин в резервуарах 16
1.4 Условия развития процессов разрушения на макроуровне и эксплуатации резервуаров 18
1.5 Определение напряжений, вызвавших разрушение 20
1.6 Переход от вязкого разрушения к хрупкому 22
1.7 Стандартные методы расчета, используемые при проектировании
1.8 Обоснование выбора программы ANSYS 31
1.8.1 Краткое описание характеристик и отличительных особенностей программы ANSYS
Выводы по главе 1 38
2. Объект и методы исследований
2.1 Резервуар, конструкции резервуаров, материальное 39 оформление
2.2 Объект исследования
2.3 Отбор проб металла 57
2.3.1 Изготовление образцов 57
2.4 Методы исследований 61
2.4.1 Исследование изменения параметров поверхностной энергии при накоплении усталостных повреждений
2.4.2 Определение химического состава 64
2.4.3 Металлографические исследования 65
2.4.4 Испытания на растяжение (статические)
2.4.5 Испытания на ударный изгиб (динамические) 69
2.4.6 Определение погрешности измерений 71
2.5 Оценка статистической и экспериментальной прочности стали СтЗсп5
Выводы по главе 2 85
3.Разработка метода расчёта режимов и сроков безопасной эксплуатации резервуаров исходя из самых неблагоприятных условий эксплуатации 86
.3.1 Расчет аппарата на прочность по стандартной методике 86
3.2 Оценка напряженно-деформированного состояния ре
зервуара методом конечных элементов при помощи ПК ANSYS 89
3.2.1 Основные этапы построения геометрической модели исследуемого объекта 89
3.2.2 Расчет напряженно-деформированного состояния резервуара
3.3 Оценка параметров деформаций, возникающих при на грузках от воздействия эксплуатационные параметров (рабочее давление и температура и т.д.),
3.3.1 Оценка параметров деформаций расчетной модели 101
3.3.2 Оценка параметров деформаций резервуара на данном уровне эксплуатации 109
Выводы по главе 3 112
4. Сравнительный анализ результатов и рекомендации 114
Выводы по главе 4 119
Общие выводы 120
Список использованных источников
Введение к работе
Большой вклад в изучение динамики и прочности оборудования внесли академики К. В. Фролов, С. В. Серенсен, Ю. Н. Работнов, В. В. Болотин, И.А. Одинг, Н.Н. Давиденков, А.П. Гусенков, Н.А. Махутов, Е.М. Морозов и другие.
Вопросы НДС конструкций для углеводородного топлива рассмотрены в работах Ф. Ф. Абузовой, В. Л. Березина, В. Е. Шутова, А.Г. Гумерова, В.А. Буренина, В.Б. Галеева, Р.С. Зайнуллина, М.Г. Каравайченко, О.А. Макаренко, В.Н. Пермякова, Р.С. Абдуллина, А.Г. Гареева и других.
Большой вклад в исследование безопасности оборудования и механики катастроф внесли Н.А. Махутов, Ю.Г. Матвиенко, Г.В. Москвитин, М.М. Га-денин, Х.М. Ханухов, А.А. Шаталов, В.А. Котляревский и другие [8, 21, 35, 37, 40, 66, 78, 80, 81, 83, 94 - 100].
Резервуар представляет собой вертикальную оболочку с днищем, поэтому аналитические расчеты таких объектов связаны с безмоментной теорией оболочек. Однако, наличие геометрических особенностей (изменение сечения элементов конструкции, наличие люков, место врезки штуцеров, наличие неукрепленных отверстий и т.д.) существенно меняет симметрию конструкции, распределение напряжений и деформаций в локальных зонах, что сложно учесть при проведение аналитических расчетов [9, 10]. За время эксплуатации происходит изменение свойств материала стенки резервуара и па 6
раллельно под действием циклических нагрузок, связанные с заполнением и освобождением нефтепродуктом, накапливаются повреждения. Одной из причин разрушения металла является малоцикловая усталость, особенность которой связана с тем, что этот вид воздействия реализуется длительное время без макроскопической деформации и высоких скоростей распространения трещин. И здесь аналитические расчеты не всегда корректны, так как в них используются нормативные характеристики металлов, то есть не учитываются возможные факторы повреждения и деградации материалов конструкций для условий малоцикловой усталости [11, 12, 76].
С модернизацией технологического процесса производства на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях складывается тенденция изменения технологической обвязки резервуаров и как следствие их дооборудование, но врезка штуцеров ведется без учета данных о напряженно-деформированном состоянии обечайки. Наиболее опасные с точки зрения потери работоспособности являются зоны реконструкции и ремонта сосуда. В этих зонах содержится весь возможный спектр недопустимых дефектов. В связи с этим при понижении температуры окружающей среды имеются случаи хрупкого разрушения стенки резервуара. Решение проблемы прогнозирования этого условия связано как с сохранением человеческих жизней, так и экологии.
Как правило, более точной расчетной схеме соответствуют более сложные расчеты, упрощение которых может явиться одной из причин появления ошибок. Принятие неадекватной расчетной схемы, а так же несовершенство нормативных документов периода проектирования потребовало проведения анализа НДС резервуара. В настоящее время получить приемлемо точную оценку НДС в зоне локальных концентраторов напряжений различных типов при общей постановке задачи можно с использованием численного метода расчета. Метод конечных элементов (МКЭ) позволяет учесть такие факторы, как конструктивные особенности обечайки, изменение механических свойств материала, из которого изготовлен аппарат, при этом полу 7 чаем НДС резервуара в условиях приближенных к действительным. Возможности МКЭ позволяют смоделировать НДС резервуара при реализации нештатных ситуаций и дать рекомендации по расположению патрубков трубопроводной обвязки с учетом их влияние на НДС резервуара при его дооборудовании.
В связи с этим работа, направленная на моделирование предельного состояния резервуара, изучение изменения свойств материала в процессе эксплуатации при понижении температуры и учет их при оценке напряженно-деформированного состояния аппарата, с использованием численного метода расчета, является актуальной.
Цель диссертационной работы - разработать алгоритм прогнозирования и предупреждения возможности возникновения аварийных ситуаций эксплуатируемых резервуаров в условиях снижения температуры окружающей среды.
Задачи исследования
1 Создать конечно-элементную модель НДС резервуара с применением ПК ANSYS, с целью выявления зон максимальных напряжений.
2 Исследовать закономерности накопления усталостных повреждений при малоцикловом нагружении образцов, изготовленных из листового проката стали СтЗсп5, бывшей в эксплуатации длительное время, а также в состоянии поставки по изменению поверхностной энергии материала.
3 Оценить влияние длительной эксплуатации резервуара на изменение механических свойств стали СтЗсп5 при плюс 20 °С и при отрицательных температурах.
4 Оценить НДС резервуаров с учетом эксплуатационных нагрузок и понижения температуры, с целью соотнесения места разрушения обечайки с зонами наибольших напряжений в ней.
Научная новизна
1 При моделировании напряженно-деформированного состояния резервуара методом конечных элементов показано, что асимметрия конструк 8 ции, вызванная наличием штуцеров сопряженных с корпусом приводит к перераспределению напряжений в обечайке. Получен эффект возникновения зон концентрации напряжений, которые не располагаются непосредственно в зоне сопряжения обечайки и штуцера и не учитываются при расчете напряженно-деформированного состояния по стандартным методикам. Зоны концентрации напряжений совпадают с местами возникновения трещины в резервуаре претерпевшего катастрофическое разрушение в условиях низких температур окружающей среды. Показано, что предельное состояние материала длительно эксплуатируемого резервуара в зонах концентрации напряжений достигается при температурах от минус 15 до минус 30°С.
2 На примере стали СтЗсп5 экспериментально установлено, что поверхностная энергия материала, при накоплении усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации увеличивается. Материал в состоянии поставки имеет равномерно распределенную поверхностную энергию, а материал бывшей в эксплуатации характеризуется неравномерно распределенной поверхностной энергией, что указывает на возможность оценки степени накопления повреждений.
Практическая ценность
Разработанные рекомендации по проведению испытаний в криогенных условиях используются в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при проведении лабораторных и практических работ по дисциплине «Изменение свойств конструкционных материалов в процессе эксплуатации» при подготовке магистров кафедры «Машины и аппараты химических производств» по направлению 150400 —«Технологические машины и оборудование» по программам 551831 - «Надежность технологических систем и оборудования» и 551830 -«Теоретические основы проектирования оборудования нефтегазоперераба-тывающих, нефтехимических и химических производств».
