автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Малоцикловая усталостная прочность металлических резервуаров нефтеперекачивающих станций

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

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

1.4. Анализ работ, посвященных изучению нагрузок, действующих на резервуар. 4{

1.5. Анализ методов расчёта усталостной прочности листовых строительных конструкций при малом числе циклов нагружения.

Выводы по состоянию вопроса и задачи настоящего исследования .*.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ФОРШ РЕЗЕРВУАРА И РЕЖИМОВ

ЕГО НАГРУЖЕНИЯ КАК ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОЯВЛЕНИЕ ТРЕЩИН В СТЕНКЕ РЕЗЕРВУАРА.

2.1. Результаты натурного обследования резервуарного парка НПС.

2.2. Статистические характеристики режимов изменения уровня продукта в резервуарах НПС

2.3. Методика статистической обработки режимов изменения уровня продукта в резервуарах

2.4. Режимы изменения уровня продукта в резервуарах

НПС. ?

2.5. Режимы работы резервуаров других производств

Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЯЕДОВАНИЕ НДС ЗОН КОНЦЕНТРАw ЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ РУЛОНИРОВАННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ. 40$

3.1. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований .*.*.№

3.2. Методика проведения и анализ результатов натурного эксперимента

3.2.1. Характеристика объекта исследования

3.2.2. Монтажный стык стенки

3.2.3. Узел сопряжения стенки с днищем.

3.3. Методика проведения и анализ результатов экспериментального исследования моделей.

3.4. Методика проведения и анализ результатов испытания образцов

В ы в о д ы . .т

Щ Глава 4. РАСЧЁТ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ РЕЗЕР

ВУАРОВ И ВОЗМОЖНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЁ ПОВЫШЕНИЮ . (

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

В ы в о д ы

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 строительства1нефтеперекачивающих 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 разрабо тан 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 напряжений рулонированных резервуаров, 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.

СОДЕРЖАНИЕ ПО ГЛАВАМ

Первая глава посвящена обзору работ по состоянию вопроса и постановке задач исследований. Анализируются причины разрушения вертикальных цилиндрических резервуаров, особенности их эксплуатации и конструкции. Описаны причины возникновения и методы выправления дефектов геометрической формы, вызванных применением метода рулонирования при строительстве резервуаров. Приводится обзор экспериментальных и теоретических исследований, посвященных изучению НДС в зонах концентрации напряжений, характерных для рулонированных резервуаров. Рассматриваются существующие методы расчёта усталостной прочности листовых конструкций.

Во второй главе объединены результаты натурного обследования резервуарных парков НПС и статистическая обработка режимов изменения уровня заполнения резервуаров различных производств. Приведены горизонтальные профили стенки резервуаров в районе монтажного шва, выявляющие наличие в этой зоне отклонений формы стенки от проектной. Изучена кинетика формы стенки с изменением уровня заполнения резервуаров, исследован характер возникновения и распространения трещины в участке стенки, вырезанном из натурной конструкции. Разработана методика определения статистических характеристик режимов натружения резервуаров и приведены результаты статистической обработки режимов изменения уровня продукта в резервуарах различных производств. На основе проведённого анализа составлена классификация производств по режиму нагружения резервуаров.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований НДС в зоне монтажного стыка, имеющего отклонение формы стенки от проектной, и в узле сопряжения стенки резервуара с днищем. Исследования проведены на натурной конструкции, моделях и образцах. Экспериментально установлен жёсткий характер деформирования материала в зоне исследованных концентраторов, величины коэффициентов концентрации деформаций, а также применимость деформационного критерия разрушения при определении долговечности конструкций с концентратором в виде угловатости.

В четвертой главе решена геометрически нелинейная задача расчёта бесконечно длинной оболочки с откло нениями формы, моделирующими угловатость в районе монтажных стыков рулониро-ванных резервуаров. На основе этого решения получены зависимости, позволяющие вычислить коэффициент концентрации напряжений в стыке в зависимости от величины начального отклонения формы, параметров оболочки и величины внутреннего давления. Разработана методика расчёта на фактические нагрузки долговечности узла сопряжения стенки резервуара с днищем и монтажного стыка стенки при наличии в этой зоне отклонений геометрическойформы от проектной. Решение доведено до численных результатов, разобран пример расчёта, получены таблицы допустимых отклонений формы для резервуаров объёмом 20,30 и 50 тыс.м3. На основе выполненных исследований предложены мероприятия по повышению долговечности резервуаров.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана методика получения статистических характеристик и произведена статистическая обработка режимов изменения уровня заполнения резервуаров по листам производственно-диспетчерских служб предприятий.

2. Экспериментально исследована кинетика НДС в зоне монтажного стыка резервуаров, имеющих отклонения формы стенки от проектной.

3. Получено решение геометрически нелинейной задачи расчёта оболочки, которая имеет отклонения от правильной цилиндрической формы, моделирующие форму рулонированных резервуаров.

4. Разработана методика расчёта долговечности узлов сопряжения стенки с днищем и монтажного стыка резервуаров на фактические нагрузки.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Подученные результаты статистической обработки режимов изменения уровня заполнения резервуаров различных производств позволили произвести классификацию производств по режиму нагружения резервуаров. Выделены как производства, где не требуется проверка малоцикловой усталостной прочности, так и производства, где такая проверка необходима.

2. На основе проведенных исследований предложены мероприятия, позволяющие увеличить долговечность проектируемых резервуаров, а также резервуаров,уже находящихся в эксплуатации.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной программой 0.55.18.173 Госстроя СССР для решения научно-технической проблемы 0.55.05 "Создать и внедрить новые, усовершенствовать существующие конструкции, процессы и средства изготовления и монтажа металлических резервуаров для хранения сжиженных газов, нефти и нефтепродуктов"

Результаты работы нашли практическое применение при проектировании криогенных резервуаров, а также при составлении Рекомендаций по усилению вертикальных монтажных швов резервуаров рёбрами жёсткости. Приложение к диссертации содержит акты внедрения.

На защиту выносятся:

1. Методика и результаты статистической обработки режимов изменения уровня продукта в резервуарах.

2. Результаты экспериментальных исследований кинетики НДС в зоне монтажного стыка стенки при наличии в нём отклонений от проектной формы и в узле сопряжения стенки резервуара с дншцем.

3. Методика определения коэффициента концентрации напряжений в монтажном стыке стенки рулонированных резервуаров

4. Методика расчёта малоцикловой усталостной прочности резервуаров и мероприятия по её повышению.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук В.С.Игнатьевой и научному консультанту доценту, кандидату технических наук Г.К.Шарщукову за большую помощь при выполнении данной диссертационной работы.

Автор выражает признательность профессору, доктору физико-математических наук В.М.Даревскому (ЦИАМ им. П.И.Баранова) за помощь и советы по теоретической части работы.

Автор благодарит сотрудников отдела механических испытаний (зав.отд. к.т.н. Й.М. Розенштейн) и лаборатории № 9 (и.о. зав.лаб. Г.А.Ритчик) ВНИИМонтажспецстроя за содействие при проведении натурных обследований резервуаров и испытании образцов.

Автор выражает искреннюю благодарность руководителю лаборатории Методов экспериментальных исследований МИШ им. В.В.Куйбышева доценту, к.т.н. А.Б.Злочевскому и всем сотрудникам лаборатории за советы и внимание к данной работе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЕ

1. В результате проведённых натурных обследований резер-вуарных парков НПС выявлены условия возникновения и характер распространения трещин в монтажных стыках рулонированных резервуаров. Сочетание повторно-статического действия нагрузки, которая для резервуаров НПС может составлять до 5*10 циклов нагружения за проектный срок эксплуатации, и отклонений формы стенки в районе монтажных стыков от проектной, составляющих в среднем 1-2 толщины стенки при измерениях на базе I м, приводят к возникновению усталостных трещин в стыке.

2. На основании статистической обработки режимов изменения уровня продукта в резервуарах получены данные о нагружении резервуаров различных производств. Установлено, что при работе резервуара НПС в режиме "через резервуар*1 наиболее характерны изменения уровня в диапазоне (0,2*0,9) Н/[Щ, а при работе в режиме "с подключенным резервуаром" - в диапазоне (0,3-г0,6)Н/[Н}# Условия эксплуатации резервуаров других исследованных производств близки по режиму нагружения к технологической схеме "через резервуар" резервуаров НПС. Произведена классификация производств по режиму нагружения резервуаров, в основу которой положены данные о цикличности нагружения и величине изменения уровня продукта в резервуарах. Выделены производства, где не требуется проверка малоцикловой усталостной прочности, а также производства, где такая проверка необходима.

3. В результате экспериментальных исследований, выполненных на натурной конструкции и на моделях, установлено, что отклонение формы стенки в районе монтажного стыка вызывает концентрацию деформации и приводит к упруго-пластическому деформированию материала в этой зоне. Величина деформации при первом нагружении может достигать 1*2%, а размах деформаций при последующих нагружениях 0,3-?0,5%. Отличительной особенностью данного концентратора является снижение коэффициента концентрации деформаций с увеличением нагрузки как при первом, так и при повторных нагружениях от К£ = 8*12 до = Зтб при расчётном значении нагрузки.

4. Экспериментально установлено, что стабилизация размаха деформации в зоне монтажного стыка и изменений формы стенки происходит после первых 5-гЮ циклов нагружения, что свидетельствует о жёстком характере деформирования материала в зоне исследованного концентратора и обосновывает применимость деформационного критерия малоцикловой усталостной прочности к расчёту стыка. Возможность использования этого нритерия была экспериментально подтверждена испытанием образцов, моделирующих деформированное состояние стенки, имеющей отклонение формы от проектной в районе стыка.

5. Предложена методика определения коэффициента концентрации деформаций в зоне монтажного стыка, в основе которой лежит решение задачи о нахождении перемещений оболочки, имеющей отклонения формы от проектной. Предложенная методика позволяет учесть уменьшение коэффициента концентрации деформаций К£ с ростом нагрузки, вызванное изменением формы оболочки. Максимальные расхождения между значениями Kg» определенными по предложенной методике и экспериментально, не превышают 18%.

6. Выполнен расчёт долговечности монтажного стыка и узла сопряжения стенки с днищем для резервуаров объёмов 20, 30 и 50 тыс.м3 при различных режимах эксплуатации резервуаров. Показано различие в условиях нагружения и долговечности узла сопряжения стенки с днищем и монтажного стыка стенки. Расчётом установлено, что при отсутствии в узле сопряжения стенки с днищем начальных поверхностных трещин его долговечность будет обеспечена независимо от режима эксплуатации. Получены данные, позволяющие определить остаточный ресурс конструкции в зависимости от режима эксплуатации при наличии в узле поверхностной трещины глубиной (0,1^0,5) (Хо/£ . На основе расчётов долговечности монтажного стыка при различных начальных отклонениях формы определены максимальные допустимые отклонения формы в районе монтажного стыка для резервуаров объёмом 20, 30 и 50 тыс. м3 в зависимости от режима эксплуатации резервуара.

7. Предложены мероприятия по повышению долговечности как уже эксплуатирующихся, так и строящихся резервуаров. Основным мероприятием для строящихся резервуаров является соблюдение при монтаже требования, согласно которому отклонения формы не должны превышать максимальных допустимых значений, определенных в настоящей работе для данного объёма резервуара и условий его эксплуатации. Применительно к эксплуатирующимся резервуарам основными мероприятиями являются: усиление стенки в районе монтажного стыка частичными кольцами жёсткости или перевод резервуара на более лёгкий режим эксплуатации.