автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Техническое диагностирование и усиление стальных резервуаров дня хранения нефти и нефтепродуктов

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

у *** •*>5

ЄГОРОВ Євген Аркадійович

УДК 624.953:624.046.03

технічне діагностування і підсилення

СТАЛЬНИХ РЕЗЕРВУАРІВ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ НАФТИ ТА НАФТОПРОДУКТІВ

Спеціальність 05. 23. Ul - Будівельні конструкції,

будівлі 7-а споруди

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття науковою ступеня доктора технічних наук

Дніпропетровськ - і 998

Дисертацією с рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металеві та дерев'яні конструкції“ Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.

Науковий консультант

- доктор технічних наук, професор Сільвестров Анатолій Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Пермяков Володимир Олексавд рович, Київський технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри;

- доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська академія будівництва та архітектури, ректор;

- доктор технічних наук, професор Почтман Юрій Михайлович, Дніпропетровський державний університет, провідний науковий співробітник.

Провідна організація

Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондра тюка, кафедра конструкцій із металу, дерева та пластмас, Міністерств освіти України, м. Полтава.

Захист відбудеться “ 5 ** Ге/е^ии* 1998 р. о № годині і засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.085.02 Придніпровськ державної академії будівництва та архітектури за адресою: 320600, і Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24А, ПДАБА, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Придніпровськ державної академії будівництва та архітектури за адресою: 32060 м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24А, ПДАБА.

Автореферат розісланий “ 4- 11 199%р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Кваша Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЮБОТИ

Актуальність проблеми. Організація ефективної та надійної системи контролю за технічним станом нафтових резервуарів, а також будь-які заходи, зокрема підсилення, які б дозволяли збільшити термін ефективної експлуатації цих споруд, завжди були і будуть надалі актуальними проблемами для будь-якої країни з розвинутим резервуарним парком для зберігання нафти та нафтопродуктів. Для України, а також дня усіх інших країн СНД, актуальність цих питань посилюється тим, що на цей час за цілу низку об'єктивних та суб'єктивних причин на нафтобазах експлуатується велика кількість стальних вертикальних циліндричних резервуарів, які мають значний фізичний знос, і технічний стан яких близький до граничного, тобто до такого стану, коли подальша експлуатація цих споруд стає неможливою за технічних умов або малоефективною за економічними показниками.

Головною складовою системи технічного контролю с технічне діагностування, завданням якого є оцішовання і прогнозування технічного ггану та своєчасне відбракування резервуарів, технічний стан яких іосягнув іраничного. Використання діючих будівельних норм та правил у розрахункових алгоритмах технічного діагностування не може привести до трийнятного результату, тому що в цих документах будівельні об'єкти розглядаються за статистично-масовими властивостями, в той час, як пред-нетом технічного діагностування є конкретний об’єкт з його конкретними {»зичними пошкодженнями та недосконалосгями. З другого боку, існуючі нструкції та рекомендації щодо технічного діагностування стальних наф-горезервуарів не відповідають головним концепціям будівельних норм та не зраховують багатьох відомих досліджень з загальних питань міцності, стійкості та працездатності металевих конструкцій. Повністю відсутні будь-асі вказівки щодо прогнозування технічного стану резервуарів, відсутня нформаційна база для розробки таких вказівок.

Підсилення резервуарів здійснюється з метою поновлення їх несучої здатності, що дозволяє збільшити термін їх ефективної експлуатації і завдяки іього тимчасово усунути негайну необхідність великих інвестицій для будів-іицтва новій резервуарів. Існує багато відомих способів підсилення, але усі іони мають ті чи інші недоліки, які суттєво обмежують їх використання в гмовах діючих нафтобаз. Враховуючи ці обставини, був розроблений новий

пристрій підсилення з застосуванням гнучких збірно-розбірних конструкі (бандажів). Конструктивні особливості цього пристрою, з одного бон дозволяють усунути більшість недоліків відомих конструкцій підсилені але, з другого боку, вони вимагають проведення відповідних досліджені метою визначення дійсних технічних можливостей та ефективності за стос вання його до підсилення резервуарів в тих чи інших умовах експлуатації,

Усе це обумовлює велику актуальність розглянутих у дисертацій« роботі питань, а вирішення їх є важливою науково-технічною проблемо: яка має велике теоретичне та практичне значення майже дня всього аїр промислового комплексу України.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Робота виконувалася за особистою ініціативою автора, а також згід багатьох науково-дослідних договорних тем, зокрема тем за плана» Кабінету Міністрів та Міністерства освіти України, координувалася відп відно з звісною програмою 0.55.01.12! “Розробити і впровадити прогр сивні способи технічного переозброєння за рахунок максимального вик ристання конструкцій будівель та споруд, що експлуатуються”.

Мета і задачі дослідження . Мета дисертаційної роботи полягає у рс в'язанні проблем технічного діагностування і підсилення стальних резерв арів для зберігання нафти та нафтопродуктів за рахунок подальшого вивч ння закономірностей фізичного зносу цих споруд, розроблення розраху ково-теоретичних методів оцінювання і прогнозування змін їх технічно: стану під час експлуатації, а також експериментально-теоретичного обіру тування ефективності підсилення резервуарів з застосуванням нових коне руктивних рішень.

Зазначена мета досягалася за допомогою вирішення наступних задач:

- виявлення головних закономірностей фізичного зносу та його вгай на технічний стан (ТС) резервуарів, які експлуатуються в умовах нафтоб зового господарства України;

-експериментально-теоретичне дослідження особливостей корозійної зносу, зокрема можливої залежності швидкості та характеру корозійних № шкоджень від рівня та характеру напруженості конструктивних елементів, також впливу хорозійного зносу на міцність конструктивних елементів;

- розроблення математичних моделей, прийнятних до прогнозувані ТС резервуарів з урахуванням наслідків корозійного зносу;

- аналіз дійсної геометрії циліндричної сгінки стальних вертикальних резервуарів та розроблення аналітичного опису цієї геометрії з метою подальшого його використання у розрахункових алгоритмах;

- теоретичні дослідження впливу недосхоналостей геометричної форми циліндричної стінки на напружено-деформованнй стан (НДС) та стійкість стальних резервуарів під діао зовнішніх навантажень;

- експериментально-теоретичні дослідження особливостей сумісної роботи циліндричної стінки резервуарів та підсилюючих збірно-розбірних конструкцій (бандажів) на етапах попереднього напруження та навантаження резервуара тиском нафтопродукту;

- визначення ефективності підсилення стальних резервуарів з застосуванням гнучких збірно-розбірних бандажів із стальних стрічок;

- розроблення інженерного методу оцінювання та прогнозування змін ТС стальних резервуарів під час експлуатації.

Наукова новизиа о дер кашо: результатів полягає в тому, що:

- вперше по єдиному алгоритму виконані обстеження великої ( більш за 300 ) кількості стальних нафторезервуарів, які експлуатуються на нафтобазах нафтобазового господарства різних регіонів України, визначені статистичні показники відказів нафтових резервуарів за нормативними ознаками, що складає необхідний інформаційний базіс для ефективної організації системи ТД резервуарів; визначені статистичні показники швидкості корозії щодо усіх головних конструктивних елементів стальних вертикальних циліндричних резервуарів;

- визначені кількісні показники залежності швидкості та характеру корозії конструктивних елементів нафторезервуарів від рівня їх напруження, а також впливу поверхневих корозійних пошкоджень на міцність конструктивних елементів;

- встановлені нові важливі особливості дійсної геометрії циліндричної стінкн вертикальних резервуарів та вперше запропоновано спосіб аналітичного опису дійсної форми вказаного конструктивного елементу з урахуванням існуючих відхилень його поверхні від форми правильного циліндра;

- встановлені кількісні показники можливого впливу недосконалостей форми циліндричної стінки стальних вертикальній резервуарів на міцність, стійкість та деформативність цих споруд, запропоновані інженерні методи розрахунку вказаних показників щодо кожного конкретного резервуара:

- виявлені важливі специфічні та загальні особливості сумісної роботі тонкостінних стальних циліндричних оболонок (зокрема сгінки стальниз резервуарів) і елементів їх підсилення у вигляді гнучких збірно-розбірни) конструкцій (бандажів) при навантаженні цієї системи внутрішнім тиском,« також при створенні попереднього напруження;

- одержані розрахункові залежності, які дозволяють оцінювати і прог нозувати зміни ТС кожного окремого резервуара, а також здійснював проектування цих споруд з запланованою довговічністю.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, як склали зміст дисертаційної роботи, використовувалися у вирішенн наступних задач:

- оцінювання та прогнозування ТС стальних резервуарів, як експлуатуються на нафтобазах Уіфаїнського Об'єднання “Укрнаф топродукт” у Дніпропетровському, Львівському, Київському, Донецькому Полтавському, Запорізькому та Кримському регіонах (у підсумку більші 300 резервуарів місткістю від 100 до 5000 куб.м. кожний);

- проектування і розрахунок конструкцій підсилення стальнш вертикальних циліндричних резервуарів Держкомрезерва СРСР м.Москва Держкомнафтопродукіу СРСР м. Москва, Укрнафтопродукіу м.Київ Аеропорту м. Дніпропетровськ, Дніпропетровського масло-екстракційногс заводу м. Дніпропетровськ ( у підсумку біля 230 резервуарів місткістю віх 700 до 5000 куб.м.);

- розроблення доповнень і змін до“Правил технічної експлуатації ре зервуарів та інструкцій по їх ремонту”( затверджені наказом Українського об'єднання “Укрнафтопродукт” від 27.02.1997 р. № 6 і введені в дію : 1.03.1997 р.), де на основі виконаних у дисертації досліджень удосконалено програму обстежень та методи оцінки ТС стальних резервуарів, вперше дан рекомендації щодо прогнозування ТС та визначення залишкового ресурсу визначені періодичність та форма (за необхідним обсягом і видами контролю) обстежень, наведені рекомендації щодо підсилення стальних резервуарів;

- виконання науково-дослідних робіт аспірантами і науковими спів робітниками, курсових та дипломних проектів студентами ПДАБ та А.

В подальшому можно рекомендувати використання одержаних у дисертації результатів для проектування нових резервуарів на основі заданої

овговічності.

Можна також відзначити, що пристрій для підсилення нафторезервуа-ів та результати його впровадження експонувалися на ВДНГ колишніх !РСР та УРСР, нагороджені почесними дипломами та медалями (зокрема собистий внесок автора відзначено бронзовою медаллю ВДНГ СРСР).

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: ’

- визначення загального напрямку дисертаційної роботи, конкретизація остановки задач по всім розділам роботи;

- наукове керування і безпосередня участь у проведенні обстежень гальних нафгорезервуарів, а також усіх експериментальних досліджень та ипробувань, результати яких наведені у дисертаційній роботі;

- науковий аналіз і статистичне оброблення результатів, одержаних при роведенні обстежень стальних нафгорезервуарів, експериментальних до-гіджень та випробувань;

- розроблення усіх розрахункових алгоритмів, наведених у дисертації, юретичний аналіз і дослідження усіх основних положень;

- систематизація і наукове осмислення усіх одержаних у дослідженнях їзультатів.

В усіх публікаціях із співавторами головні ідеї і розробки належать зтору дисертації.

Винятками можна рахувати:

- депоновану публікацію “Экспериментально-теоретические основы и ненка устойчивости тонкостенных цилиндрических резервуаров с ічальньїми несовершенствами при внешнем давлении” (співавтори вкін О.Ю. і Красовський ВЛ.), де особистий внесок автора полягає у пальному формулюванні задачі стосовно стальних вертикальних резер-гарів і у розробленні інженерного методу оцінювання стійкості цих споруд;

- безпосереднє розроблення пристрою для підсилення резервуарів, де ¡обистай внесок автора складає 25 % у загальному обсязі розроблень, які {явилися підставою до одержання авторського свідоцтва.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповілися, обговорювалися та знайшли своє відображення у друкованих ви-іннях

- на міжнародних конференціях: І Міжнародний симпозіум українських женерів-механіків (Львів, 1993), II Міжнародна конференція “ Матері-

али для будівельних конструкцій ” ІСМВ - 93 ( Дніпропетровськ, 1993 ] III Міжнародна конференція * Матеріали для будівельних конструкцій ІСМВ - 94 ( Дніпропетровськ, 1994 ), “ Металобудівкицтво - 96. Стан т перспективи розвитку” ( Макіївка, 1996);

- всесоюзних науково-технічних семінарах: “ Надійність резервуарни конструкцій” ( Москва, 1982), “ Індустріальні технічні вирішення дня ре конструкції будівель та споруд промислових підприємств” ( Макіївка, 1986’ “ Експериментальні дослідження та випробування будівельних метало конструкцій” ( Львів, 1987);

- на Українських науково-технічних конференціях: “ Підвищення надій ності та довговічності машин та споруд”( Київ, 1982 ),“ Підвищення ефек тивності системи нафтопродукто-забезпечення на підставі технічного пере озброєння “ ( Кіровоград, 1988), “ Питання надійності та оптимізації буді ведьних конструкцій, машин та механізмів” ( Севастополь, 1989 ), “ Мета леві конструкції “ ( Київ- Миколаїв, 1996 );

- на науково-технічних конференціях Придніпровської державно академії будівництва та архітектури ( Дніпропетровськ, 1985, 1988, 1993 1995).

Основні матеріали закінченої дисертаційної роботи розглянуто на нау хово-теорегичному семинарі Асоціації кафедр металевих конструкцій ВУЗй країн СНД ( Миколаїв,1996), Міжвузівському науковому семінарі “Проб леми нелінійної механіки оболонок”( Дніпропетровськ, 1997).

У повному обсязі закінчену дисертаційну роботу заслухано ні спільному науковому семінарі кафедри "Металеві та дерев'яні конструкції* ПДАБ та А і НТТ Будівельної індустрії (Дніпропетровськ,1997).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 22 публі каціях, в тому числі: статті у наукових виданнях - 13, авторські свідоцтва - 1 препринти - 1, депоновані статті - 5, матеріали і тези конференцій - 2. Окріь того, деякі важливі положення дисертації склали зміст цілої низки роздош та підрозділів у доповненнях та змінах “Правил технічної експлуатації резервуарів та інструкцій по їх ремонту", безпосереднім розробником яких < автор дисертації і які є галузевим нормативним документом Українського об'єднання Укрнафтопродукт.

Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, восьми розділів загальних висновків, списку літератури із 242 найменувань і додатків

Робота викладена на - 377 crop., що включають до свого складу 262 crop, основного тексту, ілюстрацій -111, таблиць -13.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першій главі дисертації конкретизується предмет досліджень дисертаційної роботи, зокрема підкреслюється, що резервуари розглядаються як будівельні споруди і головна увага у дисертаційній роботі приділяється стальним вертикальним циліндричним резервуарам, які експлуатуються в умовах нафтобазового господарства. Характерними особливостями цих резервуарів є невелика частота їх навантажень (не більше 40-60 на рік), порівняно невелика інтенсивність корозійного зносу (внаслідок зберігання тільки товарних нафтопродуктів), місткість від 100 до 5000 куб. м.

Далі розглядаються задачі і проблеми ТД та підсилення стальних резервуарів.

Зазначається, що основу до вирішенім задач ТД нафтових резервуарів складають відомі наукові дослідження, які містяться у роботах М. І. Ашкі-назі, В. JI. Березіна, Ю. О. Венгерцева, О. Г. Гумерова, P. І. Дуда, В. Ф. Єв-тіхіна, Б. В. Поповського, Г. В. Расвського, М. К. Сафаряна, О. С. Фаль-кевича, В. Є. Шугова та інших. Але в усіх цих роботах резервуари розглядаються як статистично-масові об'єкти, тобто автори зазначених робіт досліджують загальні особливості експлуатаційної надійності нафтові« резервуарів, в той час як головним завданням ТД є оцінювання і прогнозування змін ТС кожного окремого резервуара (об'єкта) з його індивідуальними властивостями та характеристиками. Дослідження такого напрямку відносно інших будівельних конструкцій та споруд мають місце у роботах Є. В. Горохова, Ю. О. Зданевича, М. І. Казакевича, В. Ф. Муща-нова, А. В. Перельмутера, В. О. Пермякова, С. Ф. Пічугіна, Ю. М. Почт-мана, І. О. Реброва, О- Г. Ройтмана, X. М. Томаса, А. М. Ютова та інших.

Ураховуючи наведені вище обставини, у дисертації здійснюється аналіз результатів відомих наукових досліджень стосовно можливого впливу основних видів дефектів та пошкоджень на міцність і стійкість стальних нафторезервуарів, а також діючих нормативних документів та відомих розрахункових методів щодо можливого їх використання для урахування цього впливу при індивідуальному оцінюванні і прогнозуванні ТС резер-

вуарів. При цьому аналізуються не тільки дослідження безпосередню пов'язані з нафтовими резервуарами, а й дослідження, які сгосуктгьс: металевих конструкцій взагалі. Головна увага прихиляється корозійному зно<у, недосконалосгям геометричної форми циліндричної стінки резер вуарів, можливої присутності в конструктивних елементах резервуари тріщиновионих дефектів. Згідно цих аспектів, окрім вже вище названих ро біт, згадуються роботи Ф. Ф. Ажогіна, К. П. Бережного, В. М. Беспалого Ю. Л. Вольберга, Е. М. Гутмана, В. Б. Галєєва, В. І. Горбачова, М. М. Кас кевича, В. П. Корольова, А. І. Кікіна, О. Є. Лисенка, О. М. Моношкова М. О. Махутова, В. М. Нікірєєва, І. Г. Овчиннікова, І. М. Розенштейна А. В. Сільвестрова, В. В. Філіпова, а також роботи І. С. Амазіго, Й. Ар бона, Б. Будянського, В. Т. Койтера та багатьох інших. В підсумку основи висновки такого комплексного аналізу полягають в наступному:

- загальні закономірності корозійного зносу стальних нафторезервуарії добре вивчені і відомі, але питання впливу корозійного зносу на міцнісп цих споруд вивчені недостатньо і потребують подальших дослід жень, окрш того, практично відсутня будь-яка більш менш прийнятна інформація щодс швидкості корозії конструктивних елементів стальних резервуарів в умовах нафтобазового господарства України;

- інтенсивність корозійного зносу залежить від рівня напружень в стальних елементах, а наслідок корозійного зшху полягає не тільки у зменшенні розрахункових перерізів, а й у можливому зниженні міцності конструктивних елементів. У відношенні до нафтових резервуарів, ці питання потребують подальших досліджень;

- недосконалості форми циліндричної стінки мають місце в кожному резервуарі і їх вплив на міцність і особливо на стійкість може бути дуже суттєвим. Для віфішення задач ТД необхідно розробити спосіб аналітичного опису геометрії стінки з урахуванням наявності початкових недосконалосте# форми, а також відповідні розрахункові методи індивідуального оцінювання міцності та стійкості резервуарів;

- наявність будь-яких трішиновидних дефектів за даючими нормами є неприпустимою, але крупногабаритні нафтові резервуари належать до конструкцій, де імовірність присутності тріщиновидних дефектів так чи інакше є дуже високою, і тому цей факт треба ураховувати в алгоритмах ТД, але прийнятних до ТД розрахункових методів оцінювання міцності конструкцій

іри наявності в них тріщиновидних дефектів не існує.

Вирішення питань підсилення у дисертації здійснюється з урахуванням госліджень, наведених у роботах С. М. Астряб, В. О. Афанасьева, Є. І. 5спені, Є. Б. Рамазанова, В. Д. Сіулова. В. Д. Тарана та іших, а також на )снові аналізу відомих досліджень, які виконувалися в інстітугах електро-іварювання ім. Є. 0. Патона та ВНДІмонтажспецбуду м. Москви. Підкрес-посться, що усі згадані дослідження мають велике науково-теоретичне іначення, але за цілої низки причин застосування запропонованих для під-илення конструктивних рішень виявилося дуже обмеженим в умовах дію-гих нафтобаз. Тому далі розглядається новий пристрій підсилення у вигляді ■нучкнх збірно-розбірних бандажів. Згідно з цим пристроєм кожен окремий іандаж складається з декількох секцій із стальних стрічок (пучків стального [роту, стальних канатів тощо), які з'єднуються між собою і затягуються на (шгіндричній стінці резервуара за допомогою болтових з'єднань у стяжних тиках. Таким чином забезпечується не тільки щільна установка бандажів на іезервуар, але й створюється попереднє його напруження. Зазначаються пе-іеваги запропонованого пристрою у порівнянні з відомими, але водночас іідкреслюєіься , що деякі особливості роботи цього пристрою потребують [роведення подальші« досліджень з метою визначення його дійсних тех-іічних можливостей і ефективності при використанні для відновлення або ідвищення несучої здатності нафтових резервуарів.

Таким чином, матеріал, наведений у першій пиві, дозволив у значній їірі конкретизувати постановку задач дисертаційної роботи.

У другій главі наводяться результати статистичної обробки даних, держані« при натурних обстеженнях понад 300 стальні« вертикальних иліндричних резервуарів наземного типу місткістю від 100 до 5000 куб.м. конструкції резервуарів виготовлялися із маловупіецевої сталі марок ЯСтЗ сп; ВСтЗ кп 2, пс 6, сп 5; нижні пояси циліндричної стінки деяких езервуарів місткістю 5000 куб. м. виготовлялися із маловупіецевої сталі арки ВСтЗГ сп 5*1 і низьколегованої сталі марок 09Г2 та 09Г2С. Більшість езервуарів (приблизно 85 %) споруджувалась з застосуванням заводських улонів, інша частина полистовою зборкою. Термін експлуатації резер-уарів на час обстеження складав від 10 до 55 років та більше.

На рис. І показані відносні частоти відказів стальних резервуарів різної істкості. Відкази визначалися за нормативними ознаками, тобто в даному

разі відкази - це випадки незадоволень тих чи інших параметрів Т< резервуарів відповідним технічним умовам, зокрема умовам міцності т стійкості. З наведених даних виходить, що з зростанням місткості все біла шої ваги набувають корозійні відкази конструктивних елементів резеї вуарів. На рис. 2 показані відносні частоти корозійних відказів стосовн окремих конструктивних елементів стальних резервуарів. Ці дані дозвс ляють стверджувати, що головна частка корозійних відказів резервуарі місткістю до 400 куб.м. включно пов'язана з корозійними пошкодженням днища і покрівлі, а резервуарів місткістю 1000-5000 куб.м - поясі циліндричної стінки та зони сполуки стінки з днищем. В останніх випадка корозійні відкази визначаються умовами міцності та стійкості.

В таблиці 1 наведені статистичні оцінки швидкості рівномірної короз окремих конструктивних елементів резервуарів. Наведені дані визначалис за результатами повторних обстежень 96 резервуарів. Ці дані мають значн;

Таблиця 1

Швидкість рівномірної корозії конструктивних елементів стальних резервуарів, ми нарік. -

№ в/а Вид коисіруктивного елемента Бензин, днз. пахшво Керосин, пічне паливо

1 Нижні поясн 0,0172 0,0050 0,0125 0,0033

2 Уторвазояа 0,0185 0,0055 0,0145 0,0040

3 Верхні пояси 0,0145 0,0032 0,0095 0,0031

4 Настил покрівлі 0,0180 0,0040 0.0162 0,0037

5 Днище 0,0135 0,0035 0,0116 0,0025

Примітка: - математичне очікування;

- ссреаньоквадратнчне відхилення.

розбіжність, але, незважаючи на це, можна рахувати, що загальна кіш кісна оцінка швидкості корозійного зносу встановлена, мас досить наді не обгрунтування і суттєво (приблизно на порядок ) уточнює усі попі редні, наведені в технічних джерелах, оцінки цього процесу. Треб

ГОО-200 400 1000 2000 3000 5000 КУБ.М

Рис. І. Відносні частоти відказів за нормативними ознаками у загальній кількості обстежених резервуарів:

О - корозія; V - осідання; А - дефекти геометрії; Ц - дефекти зварних швів.

гг

і Г7—

Є

\ 'у

0і

А

Ч-. К

[/ І гі/ *»■.. и-т

100-200 400 1000 2000 3000 - 5000 КУБ. М

Рис. 2. Відносні частоти відказів конструктивних елементів резервуарів в загальній кількості відказів з приводу корозійних пошкоджень.

кхууц - нижні пояса циліндричної стінки ( міцність); »'""•та - вузел сполуки циліндричної стінки з днищем ( міцнісп.);

І і - верхні пояса ( стійкість);

УГ//7\ - покрівля (зменшення товщини, герметичність); Г : -.~ і - днище ( зменшення товщини, герметичність).

підкреслити, що за даними таблиці швидкість корозії нижніх пояс дещо більша ніж верхніх, окрім усього іншого, ця обставина може поясні ватися залежністю швидкості корозії від рівня діючих напружень.

Велика кількість відказів днища і покрівлі була зареєстрована внасліж наскрізних пошкоджень ппінговою корозією. Швидкість пітінгової коро; мас ще більш широкий діапазон можливих значень, у більшості випадки межі цих значень складають від 020 до 0.50 мм на рік.

Під час обстежень з резервуарів вирізалися зразки з метою визначені їх фактичної міцності. Зразки являли собою конструктивні фрагмек: циліндричної стінки (основний метал, поперечний та повздовжній звар шви, перехрещення зварних швів та інші) і мали форму згідно відповідні технічних умов. Випробування таких зразків дозволяють стверджувати, и поверхневі корозійні пошкодження супроводжуються деяким зменшенню середніх значень показників міцності тонкостінних конструктивних елеме тів та значним зростанням розбіжності цих значень.

Високу відносну частоту в загальному обсязі відказів мають також ві кази, пов'язані з осіданнями резервуарів. Але цей вид пошкоджень порі няно легко викривається та усувається. В дисертації ці відкази детально і розглядаються.

Недосконалості геометричної форми в тій чи іншій мірі мають місце кожному резервуарі, при цьому найбільш суттєве значення для прац здатності цих споруд мають недосконалості геометрії циліндричної стінки. більшості це численні пологі локальні відхилення, в той чи інший бік, від ш альної циліндричної поверхні. Виявилося, що поверхня стінки має довго- • короткохвильові відхилення, див. рис. 3.

Як визначальні параметри відхилень приймалися відносна ампліту] /*= /о' * та довжина хвилі 21$. Встановлено,що довгохвильові відхилені мають /* в межах 1-20 та більше і відповідають гармонікам від 2-го до 8-порядку, тобто відношення я- г! 1$ складають 2-14 та більше. Коротк хвильові відхилення мають /* в межах 0.2-0.8 і розташовуються на окр мих ділянках ( у більшості випадків) або по всій поверхні циліндричн стінки резервуара. Вони відповідають гармонікам 60-120 порядку. А на; тичний опис поверхні циліндричної стінки резервуарів з зазначеними недо<

Ж0= £ ВлятЯр , (1)

АГ=2

= а0яплр , (2)

де Г0 - довгохвильові відхилення поверхні стінки від форми правильного циліндру;

Ло.Д)- коефіцієнти ряду;

Лг, п- кількість хвиль довго- та короткохвильових відхилень у

кільцевому напрямку;

<р - кутова коордіната;

>у0 - короткохвильові відхилення;

а0 - середнє значення ампштуди короткохвильових відхилень.

Функції (1),(2) визначаються стосовно кожного окремого горизонтального перетину циліндричної стінки резервуара, кількість таких перетинів визначається конкретними параметрами форми і необхідною точністю загального опису поверхні. Розрахунки свідчать про те, що за допомогою (1), (2) точність аналітичного опису може бути дуже високою і це цілком залежить тільки від обсягу вихідної інформації.

Значно меншою в порівнянні з іншими виявляється відносна частота відказів з причин наявності тріщиновидних дефектів. Але принципово інша

за виглядом ситуація складається, якщо відкази визначатимуться не за нормативними ознаками, а на основі дійсних випадків часткових або повних поломок та зруйнувань стальних нафтових резервуар®. Відносна частота відказів в такому разі буде складати:

Звідси виходить, що головною причиною дійсних поломок та зруйнувань стальних нафторезервуарів є тріщиновидні дефекти, що зумовлено практичною неможливістю виявлення усіх таких дефектів існуючими методами контролю та неможливістю визначення рівня їх небезпечності розрахунковим шляхом.

У третій главі розглядається комплекс експериментально-теоретичних досліджень, спрямованих на вивчення впливу НДС на інтенсивність (швидкість) та характер корозійного зносу стальних нафторезервуарів, а також залежності міцності конструктивних елементів від ступеня їх корозійного пошкодження. Дослідження проводилися шляхом випробувань крупногабаритних зварних оболонок-моделей, які виготовлялися із мало-вугаецевої сталі ВСтЗпсб та низьколегованої сталі 09Г2С і забезпечували ідентичність конструктивного рішення, НДС , а також дії корозійного середовища з відповідними характеристиками та умовами експлуатації нафтових резервуарів. Випробування проводилися при різних значеннях напружень £Т0 в оболонках.

Встановлено, що напруження розтягання спричинюють зростання швидкості корозії конструктивних елеменггів, а наявність складного напруженого стану ( у даному випадку ділянки біля зварних швів, зона сполуки циліндричної оболонки з плоским днищем) супроводжується більш інтенсивним розвитком пітінгової корозії та корозійних плям. Так у підсумку Д/ - зменшення товщини оболонок, де напруження ег0 під час

випробувань дорівнювало 0.9 Яу, виявилося у 1.15-130 разів вище, ніж А/ оболонок, де £Г0 було повністю відсутнім.

Аналітично процесс зменшення товщини будь-якого пояса циліндричної стінки резервуара внаслідок корозії може визначатися рівнянням:

- тріщиновидні дефекти

- корозія

- осідання

- відхилення геометрії

- інші причини

84.4%; 6.9%; 3.7%; 0.5 %; 4.5%.

/ = /0 - Ио| ехр (<тАк)сІг,

о

де /0 - проектне значення товщини;

Ці - швидкість корозії металу без напружень; т - час експлуатації за умов дії корозійного середовища; сг- гідростатична складова головних напружень:

£г=(сг, + ст2 + 0"з)/3;

А - коефіциєнт, що визначається мольним об'ємом металу, температурою та числом Рейнольдса; к - коректуючий коефіциєнт, за результатами проведеного експерименте к= 1.15 - 1.20.

Формула (3) записана на основі відомої моделі Е.М.Гутмана.

На другому етапі досліджень із оболонок, пошкоджених корозією, вирізалися зразки, які підлягали випробуванню на статичне розтягання з метою визначення напружень руйнування о-Р і подальшого порівняння цих значень з початковими <тР. Дослідження проводилися в умовах температур +20°С ; - 20°С та -65°С, які створювалися за допомогою спеціальних морозильних камер та пристроїв. За виглядом зразкі повторювали типові конструктивні фрагменти циліндричної стінки резервуарів (основний метал, поперечний і повздовжній зварні шви, перехрещення зварних швів та інші), а за формою відповідали вимогам технічних умов до таких зразків. Аналіз одержаних результатів дозволяє стверджувати, що внаслідок корозійних пошкоджень міцність конструктивних елементів поступово зменшується, водночас значно суттєво збільшується розбіжність кількісних показників міцності. В умовах проведених випробувань зменшення середніх значень £ГР зразків із сталі ВСтЗпсб склало 15-25 % ( в залежності від форми

зразків), а зразків із сталі 09Г2С відповідно 10-20 % . В окремих зразках було зафіксовано зменшення стР до межі текучості <гтта нижче. При цьому

виявилося, що первинний вплив на зменшення міцності має безпосередньо величина корозійного зносу незалежно від того за яких напружень цей знос відбувався.

На основі аналізу одержаних даних запропонована математична модель залежності показників міцності конструктивних елементів від корозійного зносу:

Л = І10ехр(-р-Аі/кп{), (4)

де р - коефіциєнт шершавості поверхні (за умов експерименту /? - 0.7 для маловугиецевих сталей та Д = 0.8 для ннзьколегованих сталей):

¿п - відомий коефіциєнт пітінгоутворення, який дорівнює:

= (5)

А І

де Ар, р - відповідно загальна площина поверхні пітінгів та середнє

значення глибини пітінгів;

А - площина поверхні конструктивного елементу.

Під час згаданих вище випробувань значення ки визначалися окремо

по кожному типу зразків і складали від 035 до 0.95. Але за даними натурних обстежень резервуарів відповідні значення Ап для поясів циліндричної

стінки знаходяться в більшості випадках у межах від 0.85 до 1.0. Така різниця пояснюється деякою умовністю визначення кп, з одного боку, в невеликих за розмірами зразках, і, з другого боку, в поясах стінки резервуарів.

Наприкінці шави розглянуті принципові схеми прогнозного розрахунку конструктивних елементів стального резервуару на міцність, стійкість та герметичність в умовах контакту з нафтовим середовищем. Усі вони побудовані з застосуванням моделей (3), (4), а загальний принцип їх вирішення полягає у застосуванні методу покрокового додання часу експлуатації в поєднанні з простими ітераціями на кожному кроку.

У четвертій главі розглянуто інженерне вирішення, яке дозволяє визначати основні компоненти НДС циліндричної стінки резервуара за наявності в її поверхні початкових відхилень від форми правильного циліндра, наводяться результати теоретичних досліджень особливостей НДС циліндричної стінки, зумовлених такими початковими відхиленями. Згідно з цим вирішенням циліндрична стінка резервуара розглядається як конструктивно ортотропна оболонка з коректованими значеннями радіальної жорст-

ості:

і:ф <6)

та згинальної циліндричної жорсткості в меридіальному напрямку:

С

А*=----Е---2~ ■

^ 12-(1 — // )

Коефіциєнт Срв (6), (7) відображує вплив короткохвильових відхилень збчислюєгься за формулою:

' ср = іЛ-№'*. (8)

Вирішення здійснюється з застосуванням (І), (2), а також на основі злущення, яке полягає в тому, що принциповий вигляд поверхні цилінд-ічної стінки в процесі деформування залишається незмінним. Це добре дповідає звісним результатам випробувань натурних резервуарів і дозво-іє для аналітичного зображення функції радіальних переміщень застосу-іти вираз:

"*Г(АнС05№р+ £изшМф) +с^яшпір + чгз. (9)

У=2

В (9) перша складова (вираз під знаком £) - це складова переміщень, >умовлених довгохвильовими відхиленнями, друга складова - це перемі-ення, обумовлені короткохвильовими відхиленнями І третя складова ■Н’з -

: приріст середнього радіуса стінки під дією внутрішнього тиску нафтопро-тсту.

Коефіциєнти в (9) визначаються за формулами:

А# ~ А-т! (1+ -^т(ло І ?*)• 0 / (1 + Р^І Р)\

ап = а0И}+ Р^І Р), (10)

де Рсг(гг) та Рсг(п) обчислюються за формулою визначення критичного ску для кільця з кількістю хвиль в кільцевому напрямку відповідно ¿V та п.

Функція у/3 у безмоментних зонах ^ = Рік', а в зонах з моментам станом визначається за відповідним вирішенням поперечного згину осеси-метричних тонкостінних оболонок.

Аналіз результатів розрахунку на основі розглянутої схеми вказує нг те, що прийнятна точність забезпечується, якщо ураховуються зміни амплі туд початкових відхилень під час деформування. У даному випадку це ура хування досягалося застосуванням методу покрокового навантаження. Зг таких умов запропоноване інженерне вирішення при відхиленнях з харак терними для стальних резервуарів параметрами має різницю не більш як і 5-7% в порівнянні з відомими вирішеннями з застосуванням методу кін цевих різниць та методу, побудованного на залежностях нелінійної теорі пологих оболонок.

Дослідженнями встановлено, що довгохвильові відхилення макхп значний вплив тільки на величину радіальних переміщень кожної окремо точки поверхні циліндричної стінки резервуара, яка може в 5-10 разів тг більше відрізнятися від відповідної величини переміщень точок поверхи правильної оболонки. При цьому вказаний вплив відбувається тільки нг перших етапах зростання тиску нафтопродукіу, коли тиск не перевершує З ■ 7 % від проектного рівня. В подальшому переміщення зростають відповідне з теорією правильних оболонок.

Короткохвильові відхилення не так значно змінюють радіальи переміщення кожної окремої точки поверхні, але, як вже зазначалося, вош-зменшують радіальну жорсткість оболонки і внаслідок цього збільшукш зростання середнього радіусу стінки резервуара, тобто середньої величини радіальних переміщень. Окрім того, короткохвильові відхилення спричиняють виникнення згинальних моментів Мг в кільцевому напрямку. Ці моменти незначні, але при а$! і- 0.2-0.4 вони сприяють появі зон фібрової текучості на поверхні циліндричної стінки резервуара при напруженнях (0.65-0.75 )сгт. , шо є характерним явищем для більшості резервуарів.

У вузлі сполуки циліндричної стінки з плоским днищем наявнісп короткохвильових відхилень сприяє зростанню згинальних моментів М0 5

точках сполуки , яхі стають в 1.2-1.5 разів більшими за значеннями, аніж 3 правильних оболонках. На окремих ділянках, де І і досягає 0.8-1.2 та більше, А/Оможе в 1,8 - 2,3 рази перевищувати відповідні значення ціс

величини в правильних оболонках.

Результати багатьох обстежень дозволяють стверджувати, що виявлені і наведені вище ефекти (в тому числі і останній) не мають значного впливу на міцність та працездатність більшості резервуарів, але всі вони повинні обов’язково враховуватися в алгоритмах ТД, тобто при розгляданні ТС кожного окремого резервуара, бо в поєднанні з низкою інших дефектів та пошкоджень їх вплив може виявитися вирішальним.

У п'ятій главі розглянуті питання впливу початкових недосконалостей форми циліндричної стінки на стійкість стальних вертикальних циліндричних резервуарів, зокрема впливу недосконалостей на значення граничної величини зовнішнього тиску д2*. Дослідження виконувалися на основі інженерного методу, який, у свою чергу, був розроблений на основі використання відомого вирішення О. Ю. Євкіна. Останнє полягає в тому, що визначення д2* здійснюється зрощуванням кривої деформування оболонки з початковими недосконалостями з кривою закритичного стану ідеальної циліндричної оболонки. Зрощування здійснюється за допомогою функції Паде , див. рис. 4. Головне завдання інженерного методу полягало у визначенні найневигіднішої ( з боку дг") кривої деформування циліндричної стінки резервуара з конкретними початковими недосконалостями її форми. Згідно з запропонованим методом початкова форма поверхні записується по кожному окремому горизонтальному перетину циліндричної стінки у вигяді залежностей (1), (2). Приріст радіальних переміщень поверхні стінки при дії зовнішнього тиску визначається також по кожному окремому перетину з застосуванням рівняння (9), при цьому у кожному разі довжина дорівнює загальній довжині стінки резервуара, а коефіциєнти Ан,Вн,ап

визначаються за формулами:

А у = 4) / р) - Ч; в» = во1 / Р) -1];

а^^ЩР^ІР)-!], (11)

де критичні значення Р^^ та обчислюються за повного форму-

лою Мізеса для оболонок при кількості хвиль в кільцевому напрямку відповідно N та. п.

Графіки кривих деформування будуються відносно кожного окремого горизонтального перетину циліндричної стінки для різних значень кутової

координати <р. Як найневигідніша приймається крива, яка дає найнижче значення •

Теоретичний аналіз впливу початкових відхилень на стійкість циліндричної стінки виконувався з використанням параметру Я = ^ (де

<3’сі - значення критичної величини зовнішнього тиску ідеальних за формою циліндричних оболонок, визначене за формулою Папковича). Розглядалися резервуари місткістю 1000-5000 кублі, виконані за типовими проектами ЦНДІпроектсгальконсірукція м. Москва. Головна мета аналізу

• м полягала у виявленні залежності Я від значень відносної величини початкового відхилення /01 і, де /0- повна величина початкового відхилення, яка визначаєіься сумою ^о+^0 . Діапазон відхилень приймався з використанням статистичних даних, одержаних під час обстежень резервуарів відповідної місткості. Ця обставина дозволила проаналізувати і виявити практично усе поле можливих значень Я . Диапазон Я* для резервуарів місткістю від 1000 до 5000 куб.м. зображено на рис. 5.

о. /

хрквазакрнтнчного стану

* зрощувавші за функцією І Паде

деформування за (9), (11)

4-

/

Рис. 4.

Рис. 5.

Слід зауважити, що відповідно із СНиП ІІ-23-81 * “Стальные конструкции. Норми проектирования” при визначенні величини критичних нап-

іужень асг2, яке дорівнює <гсг2=д2 -гіі, значення X * дорівнюють 0.6

перехід від коефіцнєнта 0.92 у формулі Папковича до коефіциєнту 0.55 у 'НнП). Це дозволяє зробити висновок (див. рис.5), що у більшості випадків >езервуари зазначеної вище місткості мають додаткові в порівнянні із ШиП резерви стійкості.

Таким чином, розроблений інженерний метод дозволяє в значній мірі точнювати значення <дг2* (а внаслідок того і <тсг2)< на основі урахування

юнкретних даних щодо геометрії кожного окремого резервуара. У свою ¡ергу, це дозволяє на 10-15 % в той чи інший бік коректувати загальну (ЦІюсу стійкості стальних резервуарів, яка визначається за формулою СНиП 1-23-8 Г:

Запропоноване інженерне вирішення можна рекомендувати до засто-ування в алгоритмах ТД стальних резервуарів та будь-яких інших споруд у игляді тонкостінних циліндричних оболонок.

Шоста і сьома шави присвячені експериментально-теоретичному обрушуванні ефективності підсилення стальних вертикальних циліндричних езервуарів гнучкими збірно-розбірними конструкціями. Саме такий тип онструкцій виявився найбільш зручним і ефективним для застосування в мовах діючих нафтобаз. Головна увага в наведених далі дослідженнях пришлеться конструкціям у вигляді бандажів із стальних стрічок товщиною -6 мм і шириною від 40 до 250 мм. Взагалі ж це можуть бути конструкції із гального (арматурного) дроту, стальних канатів тощо. Різноманітними за онсгрукцією можуть бути і стяжні стики таких конструкцій. В проведених ослідженнях перш за все малися на увазі стяжні стики на болтових з'єднан-ях.

У шостій пгаві освітяються результати досліджень особливостей умісної роботи циліндричної стінки резервуара та підсилюючих бандажів. Дослідження поширювались на стадію попереднього напруження та стадію оботи підсиленого резервуара під тиском нафтопродукту.

На першій стадії перш за все було виявлено, що зусилля попереднього апруження від стяжних стиків по довжині бандажів (периметру стінки)

розповсюджуються нерівномірно. Якщо до визначення зусиль /пз застосовується формула Эйлера:

Лш = ^пно • ехр(-ар ), (13)

то коефіциснт а треба вважати за коефіциєнт зусиль загального опору і обчислювати його за добутком fxfi, де/- звичайне значення коефіциєнту тертя метала по металу, а /і - коректуючий коефіциєнт. Виявлено, що дня оболонок, близьких за параметром rit до натурних резервуарів, і бандажів

товщиною 4-6 мм і шириною не більше 250 мм при /= 03 значення f знаходяться в межах 2.9 - 4.8 у залежності від зусиль стягнення стяжних стиків. Виникнення таких великих зусиль опору пояснюється місцевими недосконалостями форми стінки і бандажів та значною деформатквнісію стінки.

Нерівномірність розповсюдження зусиль попереднього напруження має місце і по висоті підсилюємо! ділянки циліндричної стінки резервура. Це

обумовлюється дискретністю банда-

жів. Оцінка впливу нерівномірності здійснювалася за допомогою коефі-циєнта т]х, який визначався співвідношенням мінімального о’гш^піп)

(має місце посередині між бандажами) і середнього & гш (ср) значень попереднього напруження по висоті підсилюємої ділянки. Виявлено, що т]! залежить і однозначно визначається параметрами Ь /1, й, / Ьу і* і і,

де Ь - крок розташування підсилюючих бандажів; Ьх- ширина кожного

окремого бандажа; /]*-зведена товщина бандажів, яка визначається за формулою і' = ігЬ^ІЬ (^-товщина кожного окремого бандажа); 14 = г2/2 13(1 - /і 2) - характеристична довжина оболонки. Графіки залежності т}} від зазначених параметрів наведені на рис. 6 і свідчать про те, що при Ь/Ь <2 і ^ ІЬ >0. 2 кофіциєнт ^знаходиться у межах 0.90 - 0.99.

0.25 0.50 0.75

Рис. 6.

1.0

&1/

Наявність короткохвильових відхилень спричинює збільшення зони

пливу кожного окремого бандажу по висоті оболонки (стінки резе-•вуара), див. рис. 7, і завдяки цього дещо підвищує значення т) х.

Експериментальні та теоретичні дослідження стадії попереднього напруження дозволили також з'ясувати питання щодо визначення верхньої межі /пнп* допустимого значення

Рис. 7.

стінки) кривизною, то <7

ш

зусиль попереднього напруження. Результати випробувань сталевих кілець на стискання гнучкою обоймою доводять, що верхня межа напружень сгтщ * = ¿пн і / з точки зору загальної стійкості суттєво залежить від параметрів початкових відхилень. Якщо початкові відхилення не мають ділянок з зворотною (по відношенню до * можна визначати за відомою формулою:

<гш*=с(і/г) 4ЁЛ4ГТГ,

(14)

ї: Ех,Е2- модулі пружності циліндричної стінки та зовнішньої обойми. Якщо ж початкові відхилення мають ділянки зворотної кривизни.

ш

може бути визначене за формулою:

°гта -

12(1-рг)гг

п--

я г

7Г’

(15)

(іб)

де 1$ - довжина в кільцевому напрямку будь-якого відхилення з юрогною кривизною.

*

<5Я„

МПа І

Формула (15) запропонована на основі експерименту і ураховує те, ш зворотна кривизна відхилень циліндричної стінки резервуарів, як і усіх іі ших, схожих за параметрами стальних оболонок, за нормальних умов ві готовлення і монтажу приблизно дорівнює за значеннями основній криви; ні, тобто кривизні самої циліндричної стінки (оболонки).

Значення £ГШ* згідно (15), а також результати випробувань кільць : сталі ВстЗпсб товщиною 0.2 мм, шириною 50 мм та діаметром 400 м при стисканні їх зовнішньою обоймою, наведені на рис. 8.

Втрата місцевої стійкості при застосуванні пристрою у вигляді збірне розбірних бандажів пов'язана з появою місцевих прогинів на ділянках ро: міщення стяжних стиків підсилюючих бандажів. Максимальна величин попереднього напруження сгш*о циліндричної стінки (у зоні розміщень стиків) обмежується величиною напружень, яка дорівнює (0.07-0.12) сг т..

Це обмеження визначається коь структивними особливостями піде* лення з застосуванням стяжних баь дажів і у більшості випадків є вир шальним. За цих умов, при 3-4 св жних стиках в кожному окремом бандаж, середня величина попер« днього напруження циліндричне стінки резервуара буде складат сг= (0.65-0.75)спн о, чи (0.0І 0.07) егт. .

Дослідження роботи піде» леного резервуара на стадії дії внуї рішнього тиску зводилися до визна чення закономірностей розподіл кільцевих напружень розтягання п висоті циліндричної стінки резер вуара та розподілом цих напружен між стінкою та бандажами.

II 1.5 100

80

60

40

1 ? о і \

г о ям по Щ)

йри С - фг£% /

О О по /15)

/

У

о

« і > о і • о

ч ‘о°<Й 'ч» 00 о 000 0 «в 00 ° А О 0 в « 0

0 2

6 8

10 /„,мм

Рис. 8.

Як і на стадії попереднього напруження, розподіл напружень по висоті буде також нерівномірним. Ступінь рівномірності розподілу напружень по висоті оцінювався у даному випадку коефіциєнтом:

72 = о-2*/ст2(таі), (17)

де £72 - величина напруження у циліндричній стінці резервуара при рівномірному розподілу метала підсилення по висоті; о^ию)- максимальне значення напружень у циліндричній стінці при підсиленні резервуара бандажами ( має місце посередині між бандажами). Величина сг2* визначається за формулою:

сг2 =Р-гІ(і + іг ).

(18)

Обчислення аг гтш> пов'язано з вирішенням задачі осесиметричної оболонки із ступінчато-змінною товщиною: ділянки, де розміщуються бандажі іх = / + і1 , та ділянки поміж бандажами 1г = /. Жорсткосні характеристики ділянок циліндричної стінки поміж бандажами дорівнюють звичайним значенням цих характеристик для гладких оболонок, а для ділянок, розташованих під бандажами, приймалося:

1.0

0.99

0.98

0.97

0.96

0.95

0.2

А =

12(1-// )

(19)

1.0

/

. \\ГА ±*= 1.2

У>\/ і

0.4 0.6

Рис. 9.

0.8 6

Як і на стадії попереднього напруження, НДС циліндричної стінки резервуара при дії внутрішнього тиску, а тому і коефіциснт т}г,

однозначно визначаються параметрами Ы І; Ь[/Ь; ї* І і. Залежність 7] г від зазначених параметрів показана у вигляді графиків на рис. 9, які свідчать про те, що при Ы ¿<2.5 і Ь,ІЬ> 0.2 значення коефіциєнта 7 2 знаходяться в межах

0.95 - 0.99.

За наявністю початкових відхилень, завдяки розглянутому вини

явищу, див. рис. 7, розподіл напружень розтягання по висоті ділянки, щ ПІДСИЛЮСІЬСЯ, буде більш рівномірним І значення ТІ 2 дещо збільшуються.

Але головний ефект наявності початкових короткохвильових від: хилень полягає у можливості додаткового (у порівнянні з правильні' ми оболонками) перерозподілу напружень розтягання між стінкою і баї дажами таким чином, що в підсилених поясах циліндричної стінки вон зменшуються, а у бандажах зростають. Це обумовлено змінюванням харг ктеристик циліндричної стінки, яка, як і раніше, розглядається як консп рукгавно-ортотропна оболонка з коректованими значеннями жорсткості.

Кількісно характер перерозподілу оцінювався відношеннями дійсни напружень у стінці та бандажах до напружень, обчислених без урахувань початкових відхилень. На рис. 10 наведені графіки залежності перерозподіл напружень між стінкою та бандажами у залежності від відносної амплітуд а$/1 . Треба зазначити, що виявлений ефект підтвердився експеримеї тально випробуваннями крупногабаритних моделей та натурного резерв] ара місткістю 5000 куб.м. Одержаний досвід практичного використань

Для ділянок поміж бандажами:

(2С

(21

Рис. 10.

бандажів до підсилення стальних резервуарів вказує на те, що у більшості випадків напруження у бандажах в 1.2-і 3 рази перевершують відповідні значення напружень при обчислюванні їх без урахування початкових відхилень циліндричної стінки підсиленого резервура. Очевидно, що виявлений ефект перерозподілу напружень буде мати місце при використанні підсилюючих елементів будь-якої конструкції.

У сьомій главі ефективність використання підсилюючих бандажів досліджується з точки зору підвищення тріщиностійкості циліндричної стінки резервуара. Як методологічна основа досліджень, була прийнята концепція початкової дефектності резервуарів. Приймалося також допущення, що будь-який з можливих тріщиновидних дефектів може бути завжди представлений наскрізною тріщиною, довжина якої визначатиметься умовами еквівалентності. Мірою тріщиностійкості приймалося розкриття 3 вершини наскрізної тріщини, що є однією з головних характеристик механіки руйнування, а вплив бандажів на тріщиностійкість оцінювався співвідношенням:

_ * ^ .... .

де 5 ,д - розкриття наскрізної тріщини після та до встановлення

бандажів.

Порівняння вказаного коефіциєнта з коефіциєнтом £, = (/ + /¿)/ / використовувалося як оцінка ефективності застосування стальних бандажів для підвищення тріщиностійкості резервуарів.

Значення 3 *та 5 визначалися експериментально і теоретично з використанням відомих залежностей механіки руйнування.

Експерименти проводилися на оболонках із сталі 16Г2АФ товщиною 4 мм. Бандажі виготовлялися із сталі ВстЗпсб товщиною Ц - 2 , 3 та 4 мм

і шириною Ь1 - 35 мм. Крок розміщення бандажів дорівнював Ь - 60, 90, та 180 мм. Досліджувані оболонки мали штучно створені наскрізні тріщини довжиною 2 /=30, 60, 90, 120 та 150 мм. Для отримання тріщин в оболонках робився пропил, вершина якого загострювалася за допомогою вольфрамового дроту діаметром 0.18 мм та алмазної пасти. Замір розкриття вершини тріщин проводився за допомогою спеціально виготовлених датчиків, а контроль напружень в оболонках та у бандажах здійснювався за до-

помогою тензорезисторів. Оболонки навантажувалися внутрішнім тиском (вода із збитковим тиском), внаслідок чого в них виникали напруження розтягання потрібної величини.

Слід зазначити, що наведені вище параметри оболонок, бандажів та тріщин приймалися за умов забезпечення якнайбільшої еквівалентності співвідношень 2111,211 Ь,ЬІ Ь та (1+1¡)І і в натурних резервуарах та

експериментальних оболонках.

Розкриття тріщин в оболонках до їх підсилення були близкі до значень З , визначаєш«, за формулою Бурдекіна та Стоуна:

(23)

я- Е 2ет7

де аг-напруження в оболонці під дією внутрішнього тиску;

М - коефіциєнт, який враховує вплив внутрішнього тиску на розкриття берегів наскрізної тріщини. Він може бути визначений за відомою формулою:

М = \/і + 805- і21 г2 . (24)

Експериментальні значення 3 були дуже стабільними, а різниця між експериментальними та розрахунковими даними була у межах точності вимірювальних пристроїв.

В оболонках, підсилених бандажами, зазначена вище різниця була більшою, що, як з'ясувалося, було обумовлено впливом бандажів на значення коефіцициєнту М (бандажі становили додатковий опір розкриттю берегів тріщин). Якщо в (23) вважати М= 1, то різниця експериментальних та розрахункових даних стає незначною.

Проведений аналіз дозволяє стверджувати, що ефективність використання бандажів з точки зору підвищення тріщиностійкості резервуарів буде завжди не нижче, аніж з точки зору загального зниження напружень у поясах циліндричної стінки резервуара.

У восьмій заключній главі розглянуті інженерні методи оцінювання міцності, стійкості та прогнозування змін ТС стальних резервуарів з урахуванням корозійних пошкоджень, недосконалостей форми і тріщиновидних

{іектів, наведені результати аналізу показників експлуатаційної надійності шьних резервуарів, виготовлених за типовими проектами. Напри-щі глави наводяться результати випробувань резервуара місткістю ЗО куб.м., підсиленого гнучкими збірно-розбірними бандажами.

ВИСНОВКИ

1. Вирішено актуальні проблеми технічного діагностування і підсилення льних нафтових резервуарів, що здійснювалося на основі вивчення особ-зостей функціонування цих споруд в умовах нафтобазового господарства раїни, експериментально-теоретичних досліджень закономірностей роз-ієння та впливу фізичного зносу і дефектів виготовлення (недосконалення рми, тріщиновидні дефекти) на технічний стан і довговічність резервуарів, ■акож експериментально-теоретичних обірунтувань ефективності підси-іня резервуарів з застосуванням збірно-розбірних конструкцій.

2. За результатами числених натурній обстежень встановлено, що най-ьш суттєвим видом фізичного зносу нафтових резервуарів с корозійний ю. Найбільша частота корозійних відказів за нормативними ознаками Гязана дня резервуарів місткістю до 700 куб.м. з корозією покрівлі і дни, а дня резервуарів більшої місткості з корозією нижніх поясів циліндри->ї стінки та вузла сполуки стінки з днищем. Середньо-статистична швид-гь рівномірної корозії конструктивних елементів складає 0.013 -0.020 мм/ , а швидкість пітінгової корозії знаходиться в межах 0.20-0.50 мм/ рік.

3. Результати проведених експериментальних випробувань крупнога-іитних моделей на дію корозійного середовища показали, що швидкість юзійного зносу нафтових резервуарів залежить від величини напружень аго конструктивних елементах і ця залежність має суттєве значення при руженнях і 00-120 МПа та більше; поверхневі корозійні пошкодження структивних елементів зменшують їх конструктивну міцність, що визнаться деяким зменшенням середніх значень напружень руйнування (приб-но дорівнює відносному зменшенню товщини конструктивного елемента слідок рівномірної корозії) та значним ( у 1.5-2.5 рази) збільшенням дис-сії вказаних значень.

4. Безпосередніми численими обмірами встановлено, що недоскона-гі форми циліндричної стінки у вигляді локальних відхилень її поверх-від форми правильного циліндра є характерною рисою стальних

зо

резервуарів і дуже часто їх параметри перевершують гранично допустимі з діючими технічними нормами. Встановлено, що у загальному спектрі недс сконалостей завжди можуть бути виділені довго- та короткохвильові відх* лення. Перші мають довжину хвилі від 0.05 до 0.5 периметра циліндричне стінки і відносну амштуду /0//= 1-10 та більше і не порушують умо

випуклості. Другі у більшості випадків мають місце тільки на окремих д лянхах циліндричної стінки, довжина їх хвиль знаходиться у межах 0.001

0.015 периметра, а відносна амплітуда складає 0.2 - 0.6 . Такі відхиленн можуть мати ділянки з зворотною кривизною. Запропоновано аналітични: опис поверхні стінки з урахуванням існуючих недосконалості.

5. Теоретично показано, що довго- та короткохвильові відхилення мо жуїь суттєво змінювати деякі компоненти напружено-деформованого стану мати значну ваіу при комплексному оцінюванні несучої здатності за умо. міцності га стійкості кожного окремого резервуара; розроблені відповідь розрахунково-теоретичні методи.

6. Аналіз показників надійності резервуарів за типовими проектам! показав, що в багатьох випадках їх можна суттєво поліпшити завдякі урахуванню виявлених закономірностей фізичного зносу та його впливу н; технічний стан резервуарів, запропоновано залежності, які дозволяю® прогнозувати зміни технічного стану резервуарів під час експлуатації ті виконувати проектування резервуарів за заданою довговічністю.

7. Відносно ефективності застосування збірно-розбірних конструкції для підсилення резервуарів встановлено: нерівномірність розподілу п< периметру резервуара зусиль стягнення підсилюючих елементів, великі гнучкість та можливі' недосконалості форми циліндричної стінки значно об межують величину попереднього напруження, дня резервуарів міспгістк 1000-5000 куб.м граничне значення величини попереднього напруженні складає 10-15 МПа; дискретність підсилюючих елементів не має сутгєвогс значення, бо конструктивно параметри їх перерізів і крок встановленні можуть бути обраними так, що теоретично (за розрахунком правильний оболонок) вплив дискретності буде складати не більше 3-7 % ; недоскона лосгі поверхні циліндричної стінки сприяють більш рівномірному розподіл) напружень по висоті підсилюємої ділянки, при навантаженні резервуара внутрішнім тиском їх наявність спричинює перерозподіл напружень мі» стінкою та конструкціями підсилення таким чином, що у стінці вони деще зменшуються, а в конструкціях підсилення можуть зростати в 1.3-1.8 рази >

»рівнянні з розрахунком по формулах правильних оболонок; підсилення з стосуванням збірно-розбірних конструкцій у вигляді бандажів із стальних річок дозволяє поновити (підвищити) несучу здатність резервуарів сткісію до 5000 куб.м включно на 15-30% при загальній ефективності користання метала підсилення 95-100% (по площі перерізу) та більше.

Основний зміст д исертації викладено у наступних публікаціях;

1. Егоров Е. А., Сырцев В. М., Шабанов П. П . К вопросу усиления стань ix резервуаров. // Нефтяное хозяйство. - 1979.- № 7. - С. 47 - 48.

2. Егоров Е. А. Об одном подходе к оценке надежности стальных ре-эвуаров. II Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - 1982. - № 10. :. 21-22.

3. Егоров Е. А., Фоменко Д. С., Лайков О. Н. Влияние напряжений на ррозию нефтяных резервуаров. // Транспорт и хранение нефти и фгепродукгов. - 1985.-№5. -С.7-10.

4. Егоров Е. А. Метод оценки надежности листовых конструкций, дверженных воздействию агрессивной среды. II Тематич. сб. “Повыше-е коррозионной стойкости строительных конструкций, подверженных здействию агрессивных сред”. - Караганда, Карагандинский полит, ин-т. 987.-С. 66-71.

5 . Егоров Е. А., Фоменко Д. С., Адегов А. В. Результаты обследования іствительного состояния стальных резервуаров и анализ закономер-лїй их коррозионного износа. II Тематич. сб. “ Повышение коррозион-л стойкости строительных конструкций, подверженных воздействию >ессивныу ред”. - Караганда, Карагандинский попит, ин-т. -1987.60-65.

6. Егоров Е. А., Исмагулов Б. Г. Уточнение расчетных методов оценки ойчивости стальных резервуаров на стадии проектирования и плуатации. // Сб. научных трудов “Научные основы строительства”.- К., ІКВО. - 1993.-С.34-40.

7. Егоров ЕА., Хабашнэ X. Исследование деформативности стальных ервуаров. И Сб. научных трудов “Интенсификация рабочих процессов оительного производства”. - К., УМКВО. - 1993. - С. 115 - 118.

8. Егоров Е. А., Галаченко Е. В. Использование теории стрингеров для нки влияния кольцевых бандажей на повышение трещиностойкости

оболочки.// Сб. научных трудов “ Интенсификация рабочих процессої строительного производства". - К..УМКВО. -1993.- С. 110-115.

9. Егоров Е А. Определение безопасного уровня нагружения сгальньи резервуаров с учетом хрупкого разрушения.// Сб. трудов Международно) конференции иМеталлостроигельство-96”.- Донецк - Макеевка, 1996. - С 36-37.

10. Егоров Е. А., Исмаїуяов Б. Г. Оценка устойчивости стальных верти хальных цилиндрических резервуаров, находящихся в эксплуатации. II Сб трудов Международной конференции “Металлостроительство - 96”

- Донецк-Макеевка, 1996. - С. 38 - 39.

11. Егоров Е. А. Учет начальных прогибов в инженерных расчетах ста льных резервуаров. // Придніпровський науковий вісник. Сер. Машино будування та технічні науки. - Дніпропетровськ, 1997. - № 37(48). - С. 16-26

12. Егоров Е. А. Теоретические аспекты усиления стальных резервуаре] стяжными банлажами. П Придніпровський науковий вісник. Сер. Машино будування та технічні науки. - Дніпропетровськ, 1997. - № 43 (54). - С. 4-13.

13. Егоров Е. А. Физический износ и пути улучшения технико экономических показателей нефтяных резервуаров. II Сб. трудоз Международной конференции “Теория и практика металлически; конструкций". - Донецк-Макеевка, 1997. - т.1. - С. 84-89.

14. А. с. 2893581 СССР, МКИ Е 04 Н 7 / 02. Устройство для усилении стенки стальных цилиндрических резервуаров I Е. А. Егоров, В. М. Сырцев П. П. Шабанов, Г. К. Лебедев, Е. Л. Ржавский. - № 885508; Заявлено 11.03 80; Опубл. 30.11.81, Бюл. №44. -3 с.

15. Егоров ЕА. Исследования и методы расчетной оценки прочности устойчивости и остаточного ресурса стальных резервуаров, находящихся) эксплуатации. II Научные труды ПГАС и А. Днепропетровск, 1996. - 99 с

16. Егоров Е А., Фоменко Д .С. Учет долговечности в расчетах стальные резервуаров. Деп. в УкрНИИНТИ, № 233 - Ук. 87,06.01.1987.

17. Егоров ЕА., Фоменко Д.С. Прогоноз изменения прочностных ха рактеристик основного металла и сварных соединений стальных резерву аров, подверженных коррозии. Деп. в УкрНИИНТИ, № 236 - Ук. 87 06.01.1987.

18. Егоров ЕА., Евкин А.Ю., Красовский ВЛ. Экспериментально теоретические основы и оценка устойчивости тонкостенных цилиндричес

сих резервуаров с начальными несовершенствами при внешнем давлении. 1еп. в УкрНИИНТИ, № 1618-Ук.91,23.12.91.

19. Егоров ЕЛ., Хабашнз X., Невеселая МЛ. Анализ влияния геометрических несовершенств на напряженно-деформированное состояние ци-шндрической стенки вертикального резервуара. Деп. в ВИНИТИ, № 1406 -/к.93.07.07.1993.

20. Егоров Е А., Хабашнэ X. Экспериментальные исследования влияния :ип трения на распределение предварительных напряжений в бандажах и [илиндрнческой стенке вертикального резервуара. Деп. в ВИНИТИ. № 734- Ук.93,13.08.93.

21. ЕгоровЕА. Метод оценки эффективности конструктивных реше-гий, направленных на повышение хрупкой прочности стальных конструк-[ий. II Тезисы докладов II Международной конференции “Материалы для троительства”. Днепропетровск, 1993. - С. 231 -232.

22. Егоров ЕА. Прочность конструктивных элементов, поврежденных оррозией.// Тезисы докладов VI Украинской научно-технич. конференции Металлические конструкции”. Киев- Николаев. 1996. - С. 32-33.

АНОТАЦІЇ

Єгоров Є. А. Технічне діагностування і підсилення стальних езервуарів для зберігання нафти та нафтопродуктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за пеціальніспо 05.23.01- будівельні конструкції, будівлі та споруди. -[ридніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 1998.

Дисертацію присвячено подальшому розвитку науково-технічних основ ;хнічного діагностування стальних резервуарів, а також експериментально-:оретичному обгрунтуванню ефективності поновлення їх несучої здатності [ляхом підсилення з використанням гнучких збірно-розбірних підсшпо-ічих конструкцій (бандажів). На основі аналізу результатів натурних об-гежень резервуарів і випробувань крупногабаритних моделей виявлені та зсліджені важливі закономірності фізичного зносу цих споруд, запропо-звані та розроблені нові інженерні підходи до індивідуального оцінювання прогнозування змін технічного стану резервуарів з урахуванням можливої

наявності в них тріщиновидних дефектів, недосконалостей геометрії І КОІ зійних пошкоджень. Теоретично та експериментально досліджені голої проблемні аспекти підсилення резервуарів гнучкими збірно-розбірни конструкціями (бандажами), визначені параметри підсилення, які забезі чують найбільшу ефективність. Основні результати дисертації впровадж при розробленні галузевих норм щодо організації системи контролю технічним станом нафтових резервуарів, а також при проектуванні кон рукцій їх підсилення.

Ключові слова: технічний стан, несуча здатність, оцінюванн прогнозування, дефект, пошкодження, підсилення, гнучкі збірно-розбі] конструкції (бандажі).

Егоров Е. А. Техническое диагностирование и усиление стальн резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук специальности 05.23.01- строительные конструкции, здания и сооружена Приднепровская государственная академия строительства и архитекту} Днепропетровск, 1998. .

Диссертация посвящена дальнейшему развитию научно-теоретичеа основ технического диагностирования стальных резервуаров, а также э периментально-теоретическому обоснованию эффективности восстанов ния их несущей способности посредством усиления с применением гиб] сборно-разборных конструкций (бандажей). На основе анализа резу татов натурных обследований резервуаров и испытаний крупногабаритн моделей выявлены и исследованы важные закономерности физического носа этих сооружений, предложены и разработаны новые инженерные п ходы к индивидуальной оценке и прогонозированию изменений техни1 кого состояния резервуаров с учетом возможного наличия в них трещи видных дефектов, несовершенств геометрии и коррозионных поврежден Теоретически и экспериментально исследованы шавные проблемные аст ты усиления резервуаров гибкими сборно-разборными конструкцію (бандажами), определены параметры усиления, обеспечивающие наибе шую эффективность. Основные результаты диссертации применены при р работке отраслевых норм по организации системы контроля за техничесі состоянием нефтяных резервуаров, а также при проектировании констр

цнн их усиления.

Ключевые слова: техническое состояние, несущая способность, оценка и прогнозирование, дефект, повреждение, усиление, гибкие сборно-разборные конструкции (бандажи).

Yegorov Y. A. Technical diagnostic and strengthening of steel storage tanks for the prezervation of oil and oil products. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05.23.01- Building constructions, buildings and structures. - Pridneprovsky State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 1998.

The dissertation is devoted to the development of the science and theoretical basis of technical diagnostic of steel storage tanks, experimental and theoretical grounding of the efficiency of their load-carrying capacity restoration by strengthening with using of the assembling flexible trusses. The important but almost unexplored effects and characteristics of physical wear of these structures are revealed and investigated on the basis of nature surveys of steel storage tanks and experiments with the large-dhnension models. The new engineering approaches and calculation methods of individual estimating and forecasting of steel storage tanks technical state with the consideration of the possible presence of crack defects, geometrical imperfections and corrosive damages are suggested and elaborated. The main problem aspects of strengthening of the steel storage tanks with using of the assembling flexible trusses are investigated and the most effective parameters of trussing are determined by means of theoretical and experimental researches. The main results of the dissertation were used in the development of brunch norms for organization of technical state control system of the steel storage tanks and in design of their strengthening structures.

Key words: technical state, load-canying capacity, estimating and forecasting, defect, damage, strengthening, assembling flexible trusses.

ПДАБтаА. PB8 I KMT.

ГКдп.до друку20.0t.19S8 . Формат60x84 1 f\6. Пал«рдэуг.ар. Умовно-друк. apte. 2,0 Уч.-видлрк. t,64 Тираж 100. Замоел. Ni 168 Беэкоштовно.