Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор работ и постановка задачи
1.1. Анализ причин разрушения вертикальных цилиндрических резервуаров &
1.2. Отклонения формы стенки от проектной и методы их исправления
1.3. Исследования напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений вертикальных цилиндрических резервуаров 32
1.4. Анализ работ, посвященных изучению нагрузок, действующих на резервуар ,. М
1.5. Анализ методов расчёта усталостной прочности листовых строительных конструкций при малом числе циклов нагружения ... 4-2
Выводы по состоянию вопроса и задачи настоящего исследования S7
Глава 2. Исследование дефектов форш резервуара и режимов его нагружения как факторов, опрещелящих появление трещин в стенке резервуара 6І
2.1. Результаты натурного обследования резервуарного парка НПО 62
2.2. Статистические характеристики режимов изменения уровня продукта в резервуарах НДС 74
2.3. Методика статистической обработки режимов изменения уровня продукта в резервуарах 79
2.4. Режимы изменения уровня продукта в резервуарах
2.5. Режимы работы резервуаров других производств 96
Глава 3. Экспериментальное исследование ндс зон конценгращи напряжений рулонированных вертикальных цилиндрических резервуаров .. №
3.1, Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований №9
3.2. Методика проведения и анализ результатов натурного эксперимента 44 3
3.2.1. Характеристика объекта исследования
3.2.2. Монтажный стык стенки 414
3.2.3. Узел сопряжения стенки с днищем 133
3.3. Методика проведения и анализ результатов экспериментального исследования моделей...,...,,... 137
3.4, Методика проведения и анализ результатов испытания образцов 453
Глава 4. Расчёт малоцикловой усталостной прочности резервуаров и возможные мероприятия по её повышению 462
4.1. Определение коэффициента концентрации деформаций
в зоне монтажного стыка рулонированных резервуаров 162.
4.2. Расчёт долговечности резервуаров НПС с учётом фактического режима их нагружения
4.3. Предлагаемые мероприятия по повышению долговечности резервуаров 490
Общие выводы
Литература
- Отклонения формы стенки от проектной и методы их исправления
- Статистические характеристики режимов изменения уровня продукта в резервуарах НДС
- Методика проведения и анализ результатов натурного эксперимента
- Расчёт долговечности резервуаров НПС с учётом фактического режима их нагружения
Введение к работе
В настоящее время основным способом транспортировки нефти в СССР является использование нефтепроводов, что вызвало необходимость строительства широкой сети нефтеперекачивающих станций (НПО с эксплуатируемыми на них резервуарными парками. В проекте Основных направлений экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года /I/ намечено дальнейшее увеличение протяженности нефтепродуктопро-водов, а также уменьшение доли других видов транспорта в перевозке нефти. Это требует дальнейшего строительства нефтеперекачивающих станций, основными инженерными сооружениями которых являются резервуарные парки.
В решении поставленной задачи проблема увеличения срока безаварийной эксплуатации резервуаров приобретает большое народнохозяйственное значение. В связи с этим в настоящее время остро стоит вопрос разработки методики определения малоцикловой усталостной прочности резервуаров и путей её повышения.
Анализ случаев разрушений резервуаров свидетельствует о том, что разрушения начинаются в зонах концентрации напряжений и, как правило, носят усталостный характер. Наиболее часто трещины появляются в узле сопряжения стенки резервуара с днищем и в монтажном вертикальном стыке стенки при наличии в этой зоне отклонения формы стенки от проектной.
Возникновение в районе монтажного стыка местных отклонений формы связано с применением при монтаже вертикальных цилиндрических резервуаров метода рулонирования. При монтаже резервуаров данным методом до замыкания монтажного стыка стенки необходимо выполнить формообразование концов рулонов, которые в результате рулонирования получают перегиб с кривизной большей, чем проектная кривизна стенки. В настоящее время разработан ряд несложных приспособлений /92/, которые позволяют выполнить правку кромки. Однако существующие нормы /117/ не регламентируют величину местного отклонения формы в данном стыке, поэтому применение имеющихся приспособлений не всегда обеспечивает соответствие формы стенки в районе стыка проектной, что сказывается на долговечность всей конструкции. Наличие указанных дефектов формы, естественно, не снижает роли метода рулонирования в монтаже резервуаров, однако требует тщательного их изучения и нормирования для обеспечения безаварийной эксплуатации резервуаров в течение проектного срока. Поэтому проведение таких исследований является актуальной задачей.
Действующие нормы проектирования металлических конструкций /115/ предусматривают расчёт резервуаров лишь на действие статических нагрузок. В то же время усталостный характер повреждений резервуаров свидетельствует о необходимости проведения расчёта малоцикловой усталостной прочности их узлов. Методика проведения такого расчёта и определения долговечности листовых конструкций (числа циклов до разрушения) достаточно полно разработана как на стадии возникновения трещины /28,31,44,66,68,97,98/, так и при условии существования в конструкции поверхностной трещины, обнаруженной во время обследования /15,22,54,55,64,90,106/. Однако расчёт вертикальных цилиндрических резервуаров по этой методике до сих пор не производится, что, видимо, связано с недостаточной изученностью кинетики напряженно-деформированного состояния (НДС) в зонах концентрации напрядений рулонированных резер вуаров, а также режимов изменения уровня продукта в резервуарах различных производств.
В настоящее время имеются работы, где в результате анализа эксплуатации резервуаров различных производств делается вывод о цикличности их нагружения - изменениях уровня хранимого продукта. Анализ изменения уровня заполнения не являлся основной задачей этих исследований, а лишь сопутствовал решению других вопросов, поэтому конкретные данные об изменениях уровня заполнения немногочисленны. Данных специальных исследований, посвященных статистическому анализу изменений уровня заполнения резервуаров,в литературе не имеется. Поэтому изучение режима нагружения резервуаров различных производств и классификация производств по режиму нагружения резервуаров являются актуальной задачей.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методики расчёта малоцикловой усталостной прочности рулониро-ванных резервуаров и мероприятий по её повышению.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Выявить условия возникновения и характер распространения трещин в монтажных стыках рулонированных резервуаров,
2. Произвести статистическую обработку режимов изменения уровня продукта в резервуарах различных производств с целью анализа их фактической нагруженности.
3. Изучить кинетику напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений, характерных для вертикальных цилиндрических рулонированных резервуаров - в районе монтажного стыка и в узле сопряжения стенки с днищем,
4. На основе статистического анализа режимов нагружения и изучения напряженно-деформированного состояния узлов, где возникает концентрация напряжений, разработать методику расчёта долговечности резервуаров как в предположении начальной бездефектной структуры, так и при наличии поверхностных дефектов, обнаруженных при обследовании.
5. Разработать мероприятия; повышающие долговечность резервуаров.
Отклонения формы стенки от проектной и методы их исправления
Действующие нормы проектирования металлических конструкций /115/ предусматривают расчёт элементов на прочность и подбор их сечений по номинальным напряжениям. Вместе с тем практика эксплуатации конструкций и анализ их аварий свидетельствует о том, что зарождение разрушения происходит в локальных зонах, в области конструктивных и технологических концентраторов напряжений. Такими концентраторами для вертикальных цилиндрических резервуаров являются: узел сопряжения стенки с днищем, узел примыкания к стенке приёмо-раздаточного патрубка и монтажный стык стенки при наличии в этом месте отклонений формы стенки от проектной.
Среди теоретических работ, посвященных изучению напряженно-деформированного состояния узла сопряжения стенки резервуара с днищем, следует отметить методику Сафаряна-І учим-ского /109/ расчёта узла методом сил, применяемую в настоящее время при проектировании резервуаров /3, 78/.
В работе /101/ авторы, используя эту методику, изучили влияние толщины стенки, днища и упругих свойств основания на максимальные напряжения краевого эффекта в узле сопряжения стенки резервуара с днищем.
Дальнейшее усовершенствование методики расчёта узла сопряжения стенки с днищем предложено в работе А.Г.Щербакова /134/, где для определения напряжений в узле использована моментная теория оболочек. Этот расчёт, несомненно, более точно учитывает напряжения от краевого эффекта, возникающие в стенке и окрайках, однако как и работы выполненные ранее, он не учитывает местную концентрацию напряжений в узле от наличия .углового сварного шва.
В работах /133, 134/ предложена новая конструкция безмо-ментного узла сопряжения стенки резервуара с днищем, которая в настоящее время не получила широкого распространения.
Авторы работы /24/ отмечают, что возникающие в сварных швах нижнего узла трещины вызваны концентрацией напряжений, однако в предложенной ими методике расчёта узла определяются лишь традиционные напряжения от момента краевого эффекта.
Работой, в которой учитывается местная концентрация напряжений в нижнем узле резервуара, является работа Х.Р.Саидова / 106 /, В этой работе анализ напряженно-деформированного состояния узла выполнен с помощью метода конечных элементов. Из подученных в работе /106/ эпюр, приведенных на рис. 1.5, видно, что узел находится в условиях изгиба. В средней части стенки (по толщине) в уровне .углового сварного шва напряжения изменяются линейно, что вызвано моментом краевого эффекта в зоне сопряжения. В точках, близких к поверхности стенки, наблюдается резкое увеличение напряжений. Это связано с местной концентрацией в зоне сварного шва. Приведенные эпюры показывают увеличение коэффициента концентрации от 1.3 до 4 с ростом коэффициента постели.
В настоящее время имеются работы и руководства, позволяющие учитывать концентрацию напряжений при расчёте некоторых схем элементов конструкции /б, 102, 105, 150/. Определению упругих коэффициентов концентрации напряжений в районе сварных швов при наличии в соединении технологических дефектов посвящены работы Й.И.Макарова /74, 75/. В этих работах обобщенный коэффициент концентрации напряжений при наличии в соединении смещения кромок и угловатости предлагается определять по формулам:
Теоретических исследований, посвященных определению коэффициентов концентрации напряжений в оболочках, имеющих местные неправильности геометрической формы, очень немного.
Общая теория упругого равновесия тонких оболочек с начальными отклонениями формы срединной поверхности, находящимися под действием внутреннего давления, рассмотрена в работах Х.м.іУІуштари, А.С.Вольмира, В.М. Даревского, А.В.Кармишина /21, 34, 56, 81/.
В работе /36/ на основе метода конечных элементов и экспериментальных исследований получены зависимости для определения коэффициента концентрации в выемках в виде шарового сегмента, подуэллипсоида и "блюдца" с плоским дном. Эти дефекты формы хорошо апроксимируют появляющиеся у рулонирован-ных резервуаров вне монтажных стыков западання. Установлено, что уровень концентрации напряжений .уменьшается с .увеличением отношения /а и .уменьшением отношения а/5 (в ,а - соответственно полуширина и глубина выемки, 5 - толщина стенки). При одинаковых величинах В/а и а /8 для разных форм выемок & оказался наименьшим для выемки полуэллипсоидной формы»
В.Н.Котуранов /60/ аналитически определил добавочные моменты, возникающие в стенке оболочки, форма которой может быть приближена с помощью косинусоиды Определенные с помощью этих моментов коэффициенты концентрации оказались равными Зт4 при действии в оболочке рабочего давления,
В работах /141, 155/ американские исследователи численными методами определили напряжения, возникающие в стенке цилиндрического сосуда, имеющего около продольного сварного шва плоский участок. Задача решалась в упругой, геометрически линейной постановке. Авторы подучили, что максимальные напряжения возникают на некотором удалении от сварного шва. Этот результат объясняется, по-видимому, неучётом местной концентрации от наличия валика сварного шва.
Статистические характеристики режимов изменения уровня продукта в резервуарах НДС
Проведенные натурные обследования резервуарных парков НПС показали, что наряду с искажениями геометрической формы стенки, одной из главных причин образования трещин в стенке резервуаров является циклическое изменение нагрузки (уровня продукта) во время эксплуатации. В связи с этим встал вопрос изучения режима нагружения резервуаров, который определяется технологической схемой их эксплуатации.
Резервуары в резервуарных парках сейчас работают по двум технологическим схемам /42/. Как будет показано в дальнейшем, технологическая схема полностью определяет характер нагружения резервуара и, в конечном счёте, его долговечность, поэтому необходимо проанализировать работу резервуара в каждом случае.
Первая схема перекачки - "через резервуар", рис. 2.9. При этом вся поступающая на станцию нефть по коллекторам налива поступает через приёмные патрубки в резервуары, а вся откачиваемая нефть - по коллекторам слива через раздаточные патрубки подается к подпорной насосной» По схеме "через резер вуар" поток, проходящий по магистральному трубопроводу, поступает на промежуточную насосную через резервуары. Это позволяет вести товарный учёт нефти по резервуарам и улучшать её качество путем дренирования подтоварной поды при отстое нефти в резервуарах. Раньше использование этой схемы было связано с потерями ценных фракций нефти при "больших дыханиях". Сейчас на НЕЮ эксплуатируют резервуары с понтонами или с газоуравнительной системой, что позволяет избежать потерь от "больших дыханий".
Другая схема перекачки - "с подключенным резервуаром", рис. 2.10. При этом нефть или нефтепродукт поступает из магистрального трубопровода непосредственно на прием подпорной насосной и перекачивается дальше. Подключенный на приёме резервуар служит буферной емкостью, регулирующей разницу подачи на участках трубопровода до резервуара и после него. Если подача предыдущего участка Q л превышает подачу по последующему участку Qa , то резервуар наполняется. Если наоборот, подача по предыдущему участку Gb меньше подачи по последующему участку Qa , то резервуар опорожняется.
Независимо от технологической схемы, по которой работает резервуар, диапазон изменения уровня продукта в нем ограничен допустимыми максимальным и минимальным значениями уровня заполнения, назначаемыми из технологических и конструктивных соображений. Эти величины ограничивают полезный объём резервуара, а следовательно, и диапазон возможных нагрузок от внутреннего давления продукта. Рассмотрим подробнее, чем вызваны ограничения максимального и минимального уровней заполнения.
Неполное заполнение резервуара нефтью или нефтепродуктом объясняется следующим / 2 /: - высокой производительностью закачки резервуаров, осо -7 7 бенно в момент достижения уровнем нефтепродукта верхнего пояса, когда во избежание перелива резервуара необходимо во время заполнения постоянно следить за уровнем; - необходимостью оставлять в резервуарах во время их заполнения некоторый запас объёма на случай объёмного расширения хранимых нефтепродуктов; - наличием на резервуарах пеносливных камер системы пожаротушения, врезанных в верхний пояс стенки, при наличии которых уровень нефтепродукта не должен достигать сливного патрубка пенокамеры. Максимальный допустимый уровень продукта определяется при условии, что уровень залитого нефтепродукта всегда должен быть ниже врезки сливного патрубка пенокамеры примерно на 80-90 мм. При этом неиспользуемая для хранения продукта высота верхнего пояса стенки составляет 750 мм.
При эксплуатации резервуаров с плавающей крышей (V =50 тыс. м3) система пенопожаротушения не ограничивает уровень заполнения, так как высокократная пена подаётся на затвор из кольцевого пенопровода, смонтированного над верхней образующей стенки резервуара.
Минимальный допустимый уровень заполнения определяется из условий обеспечения бескавитационной работы подпорных насосных или прохвата воздуха насосом при воронкообразовании во время откачки продукта из резервуара /83/.
Методика проведения и анализ результатов натурного эксперимента
Резервуары на нефтеперекачивающих станциях могут эксплуатироваться в двух различных технологических режимах: "через резервуар" и "с подключенным резервуаром".
На рис, 2.12 приведены типичные реализации процесса изменения уровня продукта в резервуарах с различными режимами эксплуатации. Для резервуаров, эксплуатирующихся в режиме "через резервуар" (рис, 2.12, а) характерно резкое колебание уровня продукта от минимальных до максимальных значений, стремление как можно более полно использовать полезную ёмкость резервуара.
Поскольку одной из задач нефтеперекачки является улучшение качества нефти, её очистка, отделение подтоварной воды, то при работе резервуаров в режиме "через резервуар" в некоторых случаях предусматривается дренаж подтоварной воды. При этом, после заполнения резервуара уровень в нем некоторое время (до б часов) остаётся практически неизменным. Во время отстоя одновременно, через сифонный кран, осуществляется отвод подтоварной воды, после чего нефть снова поступает в трубопровод. Реализация, представленная на рис. 2.12, б, является характерной для такого режима работы.
На рис. 2.12,в показана реализация изменения уровня продукта в резервуаре, работающем в режиме "с подключенным резервуаром". В этом случае наиболее характерны небольшие отклонения уровня от некоторого среднего значения.
На рис. 2.13 представлены гистограммы уровней заполнения для резервуаров обоих режимов. По оси абсцисс отложено отношение И/СИЗ фактического уровня заполнения к максимальному допускаемому, по оси ординат - статистическая частота из ус- ловия равенства площади под гистограммой единице /16/.
Построенная гистограмма уровней заполнения для режима "через резервуар1 (рис. .13, а) имеет два явно выраженных максимума: при отношенииН /CW1 близком к 0,2 и единице. Смещение левого максимума от нуля объясняется невозможностью снижения уровня продукта ниже минимального допустимого значения. Анализ приведенной на рис. 2.13,а гистограммы показывает, что болыцую часть времени резервуар заполнен продуктом доверху или продукт откачан до уровня близкого к минимальному допустимому. Отметим, что гистограмма уровней заполнения при работе резервуара в режиме "через резервуар" с дренированием подтоварной воды несущественно отличается от приведенной на рис. 2.13 гистограммы, поэтому отдельно не выделена.
При работе резервуара в режиме "с подключенным резервуаром" характер гистограммы меняется (рис. 2.13 б). Она имеет один максимум, означающий, что в данном случае наиболее вероятны заполнения резервуара на (0,3 0,6) Н/СН] . Отклонения уровней заполнения от среднего значения в большую или меньшую стороны практически равновероятна. Распределение уровней заполнения близко к нормальному закону. Полученный результат хорошо согласуется с идеей работы резервуара по схеме "с подключенным резервуаром", когда в резервуаре, с одной стороны, необходим достаточный запас нефти для подачи в трубопровод при понижении в нем давления, а, с другой стороны, необходимо иметь достаточный резерв емкости для приема нефти при повышении давления в трубопроводе. При рассмотрении процессов изменения уровня в резервуарах различного технологического назначения необходимо отметить различие в частотной структуре процессов.
Расчёт долговечности резервуаров НПС с учётом фактического режима их нагружения
Дня получения количественных зависимостей, определяющих долговечность узлов конструкции, необходимо проведение значительного количества испытаний. Сложность проведения подобных экспериментов на натурных объектах, их высокая стоимость и большая продолжительность делают целесообразным проведение испытаний образцов и моделей в лабораторных условиях.
Нами были испытаны промышленные аппараты давления, выполненные из стали І2ХІ6ГІІ0Т, на которых был смоделирован дефект формы, характерный для зоны монтажных швов рулонированных резервуаров. Всего было испытано 3 сосуда двух типов (два пер -ле вого типа и один - второго)f рис. 3,21. Конструкций сосудов представляла собой цилиндрические оболочки диаметром 450 мм с приваренными по торцам торосферическими крышками Непосредственно на цилиндрической оболочке имелись фланцевые соединения с крышками, в которых находились штуцера для подвода рабочей жидкости и контролирующих манометров. Толщины стенок составляли: цилиндра - 2,0 мм, крышки - 4,0 мм.
Испытанные сосуды имели заложенное при изготовлении отклонение формы стенки от проектной в районе продольного сварного шва I, вызванное изготовлением обечайки и сваркой, рис. 3.21. Разница между сосудами первого и второго типов заключалась в длине шва I, вдоль которого создавалось отклонение. 6 сосудах первого типа отклонение создавалось на всю длину цилиндрической части сосуда, а в сосудах второго типа - только в средней трети цилиндрической части, вдоль шва І. В зонах, примыкающих к швам 2, оболочка имела проектную цилиндрическую форму. Фактическая величина отклонения для обоих типов сосудов изменялась в пределах длины шва на 1 2 мм. Величины максимальных отклонений, определенные по специально изготовленному для данных сосудов шаблону проектного радиуса, представлены в таблице 3.2.
Испытание сосудов обоих типов позволило смоделировать работу рулонированных резервуаров при наличии отклонения формы вдоль монтажного шва по всей высоте стенки резервуара или только на части стенки. Анализ НДС сосудов проводился как при статическом, так и при повторно-статическом нагружении с частотой 0,1 Гц. На первых циклах нагружения давление в сосудах, Р, изменялось ступенями через 0,4 Мла (P/PQ g s 1/6) от нуля до 2,4 Ша (P/PQ 2 = гАе р0 2 " Яз жешіе, соответствующее возникновению в мембранной зоне напряжений, равных o,z ). Измерение деформаций проводилось фольговыми тензорезисторами с базой I мм. Тенэорезисторы на сосуды наклеивались в нескольких зонах поперек шва таким образом, чтобы подучить значения деформаций в околошовной зоне основного металла и сварного шва. Схема расположения тензорезисторов на сосудах обоих типов представлена на рис. 3.23, 3.24. Результаты измерений деформаций представлены на рис. 3.25-3.29.
Анализ подученных экспериментальных данных позволил выя- , вить закономерности распределения деформаций, характерные для данного типа концентраторов напряжений. Максимальные деформации в сосудах возникают в кольцевом направлении около продольного сварного шва. Для сосуда $ I, где увод кромок был наименьшим из испытанной серии моделей, максимальная кольцевая деформация наблюдалась в зоне сплавления и достигала значения (при наибольшей нагрузке) 3,4 и (« у« 0,1% - деформация, соответствующая пределу пропорциональности стали I2XI8HI0T). Минимальная деформация - непосредственно на сварном шве и равна 0,3nu , рис. 3.25. Увеличение величины увода кромок на сосудах № 2 и № 3 (см. табл. 3.2) привело к увеличению кольцевых деформаций в зоне концентрации. На рис. 3.26-3.27 представлены эпюры кольцевых и продольных деформаций сосуда № 3, где начальный увод кромок составлял 13,3 мм. Максимальная деформация в этом сосуде возникала в кольцевом направлении в центральной части оболочки - зона "А", рис. 3.28. Необходимо отметить, что характер распределения деформаций в сосуде $ 2 полностью соответствует приведенным эпюрам для центральной части сосуда № 3, поэтому эти данные для сосуда № 2 в работе не приводятся.
