Влияние геометрических несовершенств монтажных стыков стенки на малоцикловую прочность вертикальных стальных резервуаров

• Автор: Василькин, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 05.23.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 185 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Аварийная опасность металлических конструкций вертикальных стальных резервуаров. Причины возникновения аварий

1.2. Классификация дефектов, приводящих к отказу резервуаров.

1.3. Требования нормативных документов к величинам допускаемых отклонений геометрической формы резервуара.

1.4. Результаты натурных обследований

1.5. Анализ методов расчета вертикальных стальных резервуваров с дефектами геометрической формы при малоцикловом
нагружении.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГЛАЖЕН НОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НДС СТЕНОК ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИ 1ДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ РВС ИЗ РУЛОННЫХ ЗАГОТОВОК В ЗОНЕ МОНТАЖНОГО СТЫКА
2.1. Выбор расчетной схемы стенки с начальным отклонением при учете упругого изгиба
2.2. Аналитический метод расчета цилиндрического кольца большого диаметра с локальным искривлением
2.3. Существующие экспериментальные исследования влияния начальных искривлений стенки РВС в зоне монтажного стыка на ее
напряженнодеформированное состояние,
Выводы по главе
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАНОГО СОСТОЯНИЯ МОНТАЖНОГО СТЫКА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ.
з
3.1. Постановкам математическая формализация задачи.
3.2. Анализ упругопластического поведения материала
конструкции.
3.3. Применение метода конечных элементов МКЭ для теоретического исследования НДС стенки в области геометрического несовершенства.
3.4. Алгоритм численного прочностного анализа РВС.
3.5. Результаты математического моделирования работы монтажною стыка стенки с геометрическим дефектом формы при нагружении.
3.5.1. Балочная модель.
3.5.2. Оболочечная модель
3.5.3. Объемная модель.
3.6. Анализ НДС и опенка прочности стенки вертиказьных стальных резервуаров.
3.7. Методы расчета вертикальных стальных резервуаров с дефектами
геометрической формы при малоцикловом нагружении
Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ С ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ НЕСОВЕРШЕНСТВАМИ В ОБЛАСТИ МО 1ТАЖЮГО СТЫКА СТЕ1 ПСИ.
4.1. Инженерный метод расчета монтажного стыка стенки е геометрическими дефектами формы под действием циклически приложенной нагрузки
4.2. Определение напряженнодеформированного состояния стенки с геометрическими дефектами с учетом циклически приложенной нагрузки.
4.3. Определение напряженнодеформированного состояния стенки резервуара с учетом влияния формы сварного шва и остаточных
сварочных напряжений
4.3.1. Учет влияния формы сварного шва
4.3.2. Определение влияния остаточных сварочных напряжений на напряженнодеформированное состояние стенки вертикального стального резервуара в области монтажного сварного шва
Выводы по главе 4
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ У ГОРНОГО УЗЛА ВЕР ТИКАЛЬНОГО СТАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА.
5.1. Аналитическое решение задачи определения НДС уторного узла резервуара
5.2. Конечноэлементное моделирование уторного узла резервуара и
определение его ДС
Выводы по главе 5.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение защиты населения и территории Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является одной из важнейших задач государственной политики в области национальной безопасности и обеспечения устойчивого развития страны.
В политике обеспечения безопасности основное внимание должно быть уделено вопросам предотвращения крупных промышленных аварий и катастроф, поскольку по данным экспертов, затраты на предотвращение аварий техногенного характера в раз меньше затрат на ликвидацию их последствий . Особенно это касается стальных конструкций резервуаров и газгольдеров, предназначенных для хранения различных жидких и газообразных проектов, которые являются сооружениями высокого риска отказов и аварий и которые в отличие от стальных строительных конструкция зданий и сооружений общего назначения обладают повышенной взрыво и пожароопасностью.
В настоящее время на территории РФ эксплуатируется более 0 тыс. км магистральных нефтегазопродуктопроводов, 0 тыс. км промысловых трубопроводов, 0 компрессорных и нефтеперекачивающих станций, вместимость резервуарного парка превышает млн. м3 . Эти цифры продолжают расти, поскольку с каждым годом вводятся в эксплуатацию новые нефтетрубопроводы и резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов.
По данным компаний транспортирующим нефть и нефтепродукты, к г. более резервуаров достигли возраста лег и более. К концу г. этот критический рубеж перешагнуло уже резервуарного парка России 2.
Компьютерная обработка сведений представленных компанией Транснефть по 0 резервуарам, находящимся на нефтеперекачивающих станциях, дает возможность составить представление о структуре парка
резервуаров для хранения нефтепродуктов в зависимости от классификации резервуаров
по типу резервуар вертикальный стальной РВС ,6 резервуар вертикальный стальной с понтоном РВСП ,1 резервуар вертикальный стальной с плавающей крышей РВСПК 5,
но объему м3 4,5 м3 ,9 0 м3 ,4 0 м3 ,9 0 м3 5,3
по режиму эксплуатации режим транзит ,2 прием откачка, т.е. циклический режим ,5 смешанный режим 2,9 выведены из эксплуатации и частично находятся в ремонте ,4 .
но сроку эксплуатации до лет 7,5 от до лет ,9 от до лет ,8 от до лет ,6 более лет5,2 .
Распределение резервуаров по типам
,1
5,
РВС,
Исходя из представленных данных можно констатировать, что имеющийся резервуарный парк во многом физически и морально устарел, что является одной из основных причин повышенной вероятности аварий и отказов вертикальных стальных резервуаров.
Распределение резервуаров по режимам эксплуатации
Аварийный
Прочие И в ремонте
Прием
откачка
Транзит,
Гак им образом, задача обеспечения безопасной эксплуатации резервуаров для нефти и нефтепродуктов является актуальной задачей для системы трубопроводного транспорта нефти и других объектов, использующих вертикальные стальные резервуары.
В целях обеспечения безопасной эксплуатации резервуаров необходимо проведение анализа напряженнодеформированного состояния конструкции, в том числе с использованием новых подходов, комплексных решений и методик.
Одной из наиболее частых причин отказа листовых конструкций является наличие дефектов в сварных соединениях трещины, непровары, поры, кратеры, прожоги, смещения кромок и т.д. Учитывая, что в прошлом основным методом монтажа вертикальных стальных резервуаров был метод рулонирования, одним из наиболее опасных участков резервуара является зона монтажного стыка. Изза применяемой технологии монтажа резервуара в этой зоне практически неизбежны искажения геометрической формы стенки, в связи с чем возникает моментное напряженное состояние и пластические деформации.
К настоящему времени имеется достаточно много исследований влияния геометрических отклонений стенки резервуара в области монтажного сварного стыка от правильной цилиндрической формы, на работоспособность и долговечность листовых конструкций 0,0,7,1. Однако для адекватного анализа состояния конструкций требуется разработка высокоточных вычислительных технологий оценки прочности конструкций, с учетом эксплуатационных факторов, фактической формы геометрического несовершенства, влияния остаточных сварочных напряжений.
В связи с этим, в настоящее время стоит вопрос уточнения существующей методики определения малоцикловой прочности с использованием современных систем автоматизированного проектирования
i i и инженерного анализа САН i ii.
Актуальность


Описанию и анализу причин аварий резервуаров посвящено большое количество работ отечественных авторов 3 1,,. Среди перечисленных источников наиболее полное описание и анализ аварий резервуаров приведены в работах Кузнецова В. В. , Прохорова В. А., Розенштейна И. М. , Купреишвили С. М. 9. Коррозия. Дефекты сварных соединений. Нарушения при монтажнос троительных работах. Несоответствие физикомеханических характеристик материала. Несовершенство конструктивнотехнологических решений. Таблица 1. Ошибки проекта КМ, КУЩ 9 3 . Низкое качество стали 9 2 . Дефекты изготовления конструкций 8 3 2 . Тарушение расчетных схем и нагрузок при эксплуатации 6 9 . Таблица 1. Разрушение стали пластичное хрупкое 3 2 5 8. Анализируя статистику отказов и аварий резервуарных конструкций Кузнецов В. В. приходит к выводу, что при общем интервале значений единичной емкости сосудов в выборке от 0 до м3 наибольший риск аварийности приходится на емкости от до 0 м3 . При этом, наиболее удачно спроектированными являются резервуары РВС0 и РВС0, обладающие достаточно высокой эксплуатационной надежностью 3. Вопросы наличия дефектов в резервуарах и влияние их на эксплуатационную надежность конструкции в целом, рассматривались во многих работах ,,,,,7. Одну из наиболее полных классификаций встречающихся дефектов вертикальных стальных резервуаров рис. Дефекты можно разделить на появившиеся в процессе монтажа резервуара, появившиеся на этапе изготовления рулонных заготовок, на этапе транспортирования и в процессе эксплуатации. Наиболее многочисленна группа дефектов появившихся в процессе монтажа резервуара, которые имеют объемный, поверхностный и местный характер расположения. Местные дефекты могут быть расположены на поверхности, в теле конструкции или быть сквозными. По расположению, дефекты могут относиться к стенке, днищу, кровле, монтажным и уторному соединениям, местам соединения технологических патрубков со стенкой. Пскапькые вмятины на рае г. По плошяи ДИОМШ. Рис. Значительное количество обследованных резервуаров имеют дефекты геометрической формы. В работах 3, 8 отмечается, что около эксплуатирующихся резервуаров в той или иной мере нуждаются в исправлении геометрической формы. Дефекты формы стенки вертикального стальною резервуара, смонтированного методом рулонирования могут появиться как при транспортировке рулона стенки, так и во время монтажа и при эксплуатации резервуара. Появившиеся под действием рабочего давления, вакуума и температурных колебаний хлопуны могут перемещаться по высоте стенки и изменять первоначальные размеры. Под действием определенных нагрузок деформированные участки могут потерять устойчивость и вызвать концентрацию напряжений в этих зонах. Таким образом, несмотря на свою локальность, именно дефекты определяют прочность и устойчивость конструкции в целом. В свою очередь некоторые причины отказов, такие как дефекты формы, дефекты сварки, деформация основания и другие, можно разделить на множество отдельных причин. Например, сварные дефекты включают более десяти их видов. К деформациям основания относятся равномерная осадка, крен и неравномерная осадка основания. Избыточное давление в вертикальном цилиндрическом резервуаре может рассматриваться как нарушение условий эксплуатации пожар, неправильная регулировка дыхательных клапанов. При пожаре разрушение конструкции может произойти путем разрыва кровли вследствие избыточного давления или полной потери формы стенки в результате появления вакуума. При рассмотрении причин отказа резервуаров важен не только учет вида повреждения или дефекта, но также знание их совместного действия, поскольку чаще всего отказы возникают при неблагоприятном сочетании нескольких факторов. В стандарте указывается, что срок службы вертикальных стальных резервуаров в основном обуславливается коррозионными повреждениями и усталостной долговечностью стенки. С середины прошлого века практически все резервуары, возводимые в нашей стране, были смонтированы методом рулонирования. Этот метод позволяет перенести в заводские условия основной объем сварочных работ, связанных с изготовлением стенки и днища резервуара.