Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогнозирование остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров по параметрам циклической трещиностойкости в условиях двухосного нагружения

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров по параметрам циклической трещиностойкости в условиях двухосного нагружения"

На правах рукописи

ГЕРАСИМЕНКО Анастасия Андреевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ В УСЛОВИЯХ ДВУХОСНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005554341

Санкт-Петербург - 2014

005554341

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Самигуллин Гафур Халафович

Официальные оппоненты:

Лукьянова Ирина Эдуардовна доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», кафедра сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, профессор

Ценев Николай Кузьмич кандидат физико-математических наук, ООО НПП «ИННОТЕХ», генеральный директор

Ведущая организация:

ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» Республики Башкортостан

Защита диссертации состоится 29 сентября 2014 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ НИКОЛАЕВ

V 'У /

диссертационного совета ¿—--^ Александр Константинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возникновение дефектов в процессе эксплуатации стальных вертикальных резервуаров (РВС) является неизбежным процессом из-за коррозионного износа и малоцикловой усталости металла. Наиболее опасными дефектами в стенке резервуаров принято считать усталостные трещины, появляющиеся в результате циклических нагрузок в местах концентрации напряжений. Нормативно-технические документы ОАО АК «Транснефть», ОАО «НК «Роснефть», АО «Нефтемонтаждиагностика», НО Ассоциации «Ростехэкспертиза» запрещают эксплуатацию РВС с трещинами. В то же время у эксплуатирующих организаций не всегда есть возможность незамедлительно выполнить ремонт. Из практики, известны случаи безаварийной эксплуатации резервуаров с несквозными поверхностными трещинами на стадии стабильного роста, подтвержденные модельными расчетами. Исследованиями Болотина В.В., Буренина В.А,, Галлямова А.К. показано, что долговечность резервуара в процессе прорастания трещины через стенку составляет значительную долю ресурса всей конструкции и есть время для ремонта, прежде чем трещина достигнет критических размеров.

Для того чтобы определить остаточный ресурс резервуара, степень опасности дефекта и назначить срок проведения обследования технического состояния, необходимо уметь предсказывать: как будет развиваться трещина при данных режимах эксплуатации и каким будет ее критический размер. С точки зрения механики разрушения скорость развития трещины в стенке резервуара зависит от напряженно-деформированного состояния (НДС) в вершине трещины, характеризующегося коэффициентом интенсивности напряжений, и параметров циклической трещиностойкости металла. Известно, что нижние пояса резервуаров, уторный узел, места врезок приемо-раздаточных патрубков находятся в условиях сложного напряженного состояния, которое оказывает влияние на характеристики циклической трещиностойкости стали. Следовательно, актуальной задачей является определение возможного срока безопасной эксплуатации резервуаров с учетом фактического напряженного состояния стенки резервуара с дефектом и его влияния на характеристики циклической трещиностойкости.

Цель работы: повышение надежности эксплуатации РВС на основе прогнозирования их остаточного ресурса при двухосном напряженном состоянии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать конечно-элементные модели РВС с поверхностной полуэллиптической трещиной для оценки НДС и расчета коэффициентов интенсивности напряжений при различных эксплуатационных нагрузках.

2. Исследовать экспериментально влияние вида напряженного состояния, реализующегося в стенке РВС в процессе эксплуатации, на характеристики циклической трещиностойкости стали.

3. Разработать инженерную методику определения срока службы резервуаров, учитывающую сложное напряженное состояние конструктивных элементов резервуаров и влияние двухосного нагружения на параметры циклической трещиностойкости стали.

Научная новизна работы:

1. Получены аналитические зависимости для расчета коэффициентов интенсивности напряжений первого пояса РВС, учитывающие геометрические параметры несквозной поверхностной трещины, конструктивные особенности резервуаров и условия эксплуатации.

2. Экспериментально установлены закономерности влияния вида напряженного состояния на скорость роста трещины для стали СтЗ. Определены характеристики циклической трещиностойкости стали СтЗ в диапазоне соотношений двухосности номинальных напряжений от +1,0 до -0,4.

Защищаемые научные положения:

1. К-тарировочную функцию, учитывающую изменение геометрических параметров несквозной поверхностной трещины и конструктивные особенности резервуара, необходимо использовать при расчете коэффициентов интенсивности напряжений для определения остаточного ресурса РВС при малоцикловом нагружении.

2. Влияние вида двухосного напряженного состояния на скорость роста трещины необходимо учитывать для корректного прогнозирования остаточного ресурса РВС при малоцикловом на-

гружении.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе численного анализа и экспериментальных исследований разработана инженерная методика оценки остаточного ресурса РВС при малоцикловом деформировании, учитывающая влияние вида эксплуатационного нагружения на коэффициенты интенсивности напряжений и характеристики сопротивления деформированию и разрушению материала резервуара.

Методы исследования. Использовался комплексный метод, включающий численный анализ НДС РВС методом конечных элементов в программных комплексах Ansys и Abaqus и экспериментальные исследования параметров циклической трещиностойкости стали СтЗ при различных вариациях двухосного нагружения, проведенные на стенде BI-00-502 50kN Biaxial test system. Основные теоретические и экспериментальные результаты получены с использованием методов линейной механики разрушения.

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов и средств экспериментальных исследований. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью регрессионного анализа. Достоверность теоретических исследований подтверждается установленным совпадением частных численных решений с литературными данными, полученными другими авторами, и применением общепринятых методов корреляционного и регрессионного анализа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: семинаре «Autumn Retreat in Hockendorf - 2013» г. Фрайберг, Германия; XIV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2013», Ухта; XVII Международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» 2013г., Томск; Международном форуме - конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» СПГГУ, 2011г., Санкт-Петербург; XV Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» 2011г., Томск; X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких техно-

логий в промышленности», 2010г., Санкт-Петербург; VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», 2009г., Омск.

Исследования поддержаны стипендией Иван Губкин 2013 -2014 гг. Германской службы академических обменов DAAD.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Реализация результатов работы. Разработанная инженерная методика прогнозирования остаточного ресурса резервуаров при малоцикловом нагружении используется в ЗАО Научно-техническом центре «Технология, экспертиза и надежность» и ЗАО «Центр технической безопасности и диагностики «Полисервис».

Научные и практические результаты исследований рекомендованы к использованию в учебном процессе подготовки магистров, обучающихся в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по направлению 131000 «Нефтегазовое дело».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, изложенных на 160 страницах. Содержит 65 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 168 наименований.

Благодарности. Автор выражает благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы профессору Шлянникову В.Н. КазНЦ РАН, г. Казань.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, определены цель и задачи работы, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведены данные о длительности и условиях эксплуатации РВС. Проведенный анализ аварий резервуаров позволил установить, что одной из причин разрушений РВС является развитие трещиноподобных дефектов в нижних поясах, уторном узле, местах врезок приемо-раздаточных патрубков, где реализуется двухосное напряженное состояние с коэффициентом двухосности r¡=a„/aKl„ (1)

где апр - продольные сжимающие напряжения от собственного веса конструкции и оборудования выше расчетной точки, снеговой нагрузки и нормативного значения вакуума; окц - кольцевые растягивающие напряжения от действия гидростатического и избыточного давлений.

В настоящее время существует ряд методик расчета числа циклов до разрушения резервуаров с трещиноподобными дефектами. Большой вклад в развитие теоретической базы в данном направлении внесли следующие ученые и специалисты: Махутов H.A., Ка-равайченко М.Г., Тарасенко A.A., Буренин В.А., Зайнуллин P.C., Котляревский В.А., Макаренко O.A., Галеев В.Б., Гареев А.Г., Мус-тафин Ф.М., Хануков Х.М. и др.

В основе разработанных методик прогнозирования остаточного ресурса РВС при малоцикловом нагружении лежит уравнение Пэриса:

db/dN = С-(АК)п, (2)

AK = YIAa^, (3)

где db/dN - скорость роста трещины; b - глубина трещины; N - число циклов нагружения; С, п - характеристики циклической трещи-ностойкости; ЛК - размах коэффициента интенсивности напряжений; У/ - К-тарировочная функция, безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии тела, параметров трещины и условий нагружения; Ao=omax-omjn - размах действующих напряжений; атах и omin -соответственно максимальное и минимальное напряжение цикла.

Проведенный анализ методик прогнозирования остаточного ресурса резервуаров показал, что при оценке числа циклов до разрушения стенки РВС используют экспериментальные данные о тре-щиностойкости стали, полученные в условиях одноосного нагружения, а также значения кольцевых напряжений, рассчитанных по теории тонкостенных оболочек, и коэффициент интенсивности напряжений для бесконечной пластины под действием растяжения.

Выполненный анализ научно-технической литературы позволил установить, что вид нагружения оказывает влияние на значения характеристик циклической трещиностойкости стали. Поскольку коэффициент С не является самостоятельной характеристикой

материала, а зависит от п, то предпочтительнее для описания процесса роста трещины использовать уравнение

ёЬМЫ=(с1Ь/с1Ы)*-(АК/К*)п, (4)

где К* - коэффициент интенсивности напряжений, рассчитанный при скорости роста трещины (¿ЬМЫ)*=10'4мм/цикл.

Кроме того, для определения напряжений в конструкции и расчета коэффициента интенсивности напряжений следует использовать численные методы расчета, которые позволяют смоделировать НДС РВС с учетом влияния патрубков, уторного узла и других концентраторов напряжений на поле напряжений.

На основе проведенного в первой главе анализа были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе определены типоразмеры резервуаров, варьируемые геометрические параметры трещины и условия нагру-жения для моделирования в ПК Abaqus. Представлены результаты численного расчета НДС и коэффициентов интенсивности напряжений поверхностной полуэллиптической трещины в первом поясе РВС. На основе численного эксперимента найдены аналитические выражения коэффициентов интенсивности напряжений поверхностной полуэллиптической трещины в первом поясе резервуаров.

Расчет коэффициентов интенсивности напряжений проводился для трещины с постоянным отношением глубины Ъ к полудлине а: Ь/а=1/3 (рисунок 1). Моделировался продольный дефект, так как в цилиндрической оболочке, нагруженной внутренним давлением, максимальные главные напряжения реализуются вдоль образующей корпуса резервуара и способствуют раскрытию и росту трещины. Поскольку нижние пояса находятся в наиболее напряженных условиях, то трещина рассчитывалась в первом поясе на равном удалении между приемо-раздаточными патрубками и вне зоны влияния приемо-раздаточных патрубков на НДС (на расстоянии не менее 7,5Д,, где Д, - условный диаметр приемо-раздаточного патрубка). При проведении численного эксперимента по исследованию коэффициентов интенсивности напряжений варьировались: - уровень заполнения резервуара, при этом высота налива нефтепродукта /г составляла 15, 35, 55, 75, 95% от высоты стенки Н;

расстояние от днища до центра трещины с составляло 0,2h„; 0,4hn; 0,6hn; 0,8h„, где hn - высота пояса;

отношение глубины b трещины к толщине стенки г резервуара составляло b/t=0,4; 0,6;0,8.

Рисунок 1 - Схематичное изображение моделируемой части стенки резервуара с поверхностной несквозной трещиной

Для расчета коэффициентов интенсивности напряжений первоначально необходимо было определить номинальное НДС конструкции. Задача решалась в упругой постановке в условиях статического нагружения. Моделировалась !Л конструкции резервуара конечными элементами типа Shell, при этом учитывались различная толщина поясов стенки и усиливающий лист приемо-раздаточных патрубков.

К модели резервуара прикладывались следующие нагрузки и закрепления:

жесткое закрепление по нижней кромке первого пояса; условия симметрии на боковые сечения резервуара;

- нагрузка от собственного веса стенки;

распределенная нагрузка от веса крыши, оборудования и равномерно распределенного снега;

- гидростатическое давление;

нагрузка по давлению в газовой полости резервуара. Возникающая временами ветровая нагрузка не учитывалась в расчете, а также в качестве первого приближения принималось

равномерное распределение температуры по сечению стенки резервуара.

Верификация конечно-элементной модели РВС проводилась путем сравнения полученных эпюр распределения кольцевых и продольных напряжений со значениями, рассчитанными по рекомендациям «Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов».

Конечно-элементное моделирование резервуаров позволило учесть влияние уторного узла и патрубков на распределение напряжений в стенке. Поскольку при оценке скорости роста трещины используется величина максимальных растягивающих напряжений, то была определена функция /, позволяющая учитывать воздействие конструктивных концентраторов напряжения на значение кольцевых напряжений

/ = (5)

РЕМ

где а - номинальные кольцевые напряжения, рассчитанные с по-

РД

мощью метода конечных элементов; стКц - номинальные кольцевые напряжения, рассчитанные аналитически.

Функция / описана полиномом пятого порядка с коэффициентом детерминации 0,999 и имеет вид

f=a + b■c + d■h + e■c2+g■ch + j■h2+k■c3+l■c2h +

+ д-сИ2 +1У- /?3 +г-с4 +Г-с31г + у -с2 к2 +и-сИЪ + г'-/г4 + (6)

+ р-с5 + х-слк + у-с3!г2 +п-с2к3 +тсИ4,

где а, Ь, с1, е, g, ], к, I, м>, г, I, у, и, ¿, р, х, V, п, т — коэффициенты, зависящие от типоразмера РВС и местоположения дефекта; с - расстояние от днища РВС до точки, в которой необходимо определить напряжения, м; И - высота налива нефтепродукта, м.

Расчет коэффициентов интенсивности напряжений по фронту трещины проводился с использованием методики подмоделиро-вания. Моделировалась часть стенки резервуара размером 400><400мм, в которой отдельно создавалась трещина. На границы подмодели интерполировались граничные условия из полной модели резервуара. Конечно-элементная модель трещины была разработана на кафедре прикладной механики и механики твердого тела

Технического университета Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия). Трещина моделировалась регулярной гек-саэдрической конечно-элементной сеткой (рисунок 2). Техника, используемая при расчете коэффициентов интенсивности напряжений, верифицировалась на готовых опубликованных решениях. Погрешность вычислений не превышала 2%.

Рисунок 2 -

На рисунке 3 представлено изменение коэффициентов интенсивности напряжений вдоль фронта трещины в процессе роста дефекта для РВС-10000 при максимальном наполнении резервуара. Трещина моделировалась на расстоянии с=0,4Ип, что составляет 796 мм от днища до центра трещины, между патрубками. Для этого же случая на рисунке 4 показана зависимость коэффициентов интенсивности напряжений самой глубокой точки фронта поверхностной полуэллиптической трещины от отношения глубины трещины к толщине стенки. Установлено, что коэффициент интенсивности напряжений возрастает с увеличением уровня налива нефтепродукта, глубины и длины трещины.

35

2 га С

ъй

30 1 25 20 15

10

- ЬЛ=0,4 Ь/1=0,6 ЬЛ=0,8

0

0.5

1

1,5

<Р, рад

Рисунок 3 - Распределение коэффициентов интенсивности напряжений вдоль фронта трещины при Ь/а=1/3 и с=0,4Нп

Конечно-элементная модель поверхностной трещины

ш

20

я

I 10

Рисунок 4

Для оценки остаточного ресурса резервуара были определены аналитические выражения К-тарировочных функций путем нормирования значений коэффициентов интенсивности напряжений на величину аГЕМ^пЬ. Установлено, что в общем виде К-тарировочные функции могут быть описаны с коэффициентом детерминации 0,991 полиномом второго порядка

У,{ЬП,с,к/Н) = а + с1-{к1 Н) + е-(Ь/1) + /-(1г/Я)2 + ^

+ 1-(к/Н)-ф/1) + ]-{Ы г)2, где а, й, е, /, г, ] - коэффициенты, зависящие от типоразмера РВС и месторасположения дефекта.

Таким образом, аналитическое выражение коэффициентов интенсивности напряжений можно представить в следующем виде к, =стгам ■^■¥1(Ь/{,с,!г/Н) (8)

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований параметров циклической трещиностойкости стали СтЗ при двухосном нагружении, проводившихся в Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН.

В качестве материала для определения характеристик циклической трещиностойкости при двухосном нагружении использовалась сталь СтЗ {рТ=294МПа, ав=483МПа, Е=2,1-106МПа). Поскольку испытания в условиях двухосного нагружения не носят регламентированный характер, то с учетом экспериментальной практики были выбраны плоские крестообразные образцы с центральным надрезом (рисунок 5).

—*—1г/Н=15% —Л" /;///=55%

................- - —/г/#=95%

0,4 0,5 0,6 Ьд 0,7 0,8

- Коэффициенты интенсивности напряжений самой глубокой точки фронта трещины при Ыа=1/3 и с= 0,4К

ООО

> о о

Рисунок 5 - Крестообразный образец

С помощью метода конечных элементов был проведен расчет уровня номинальных напряжений (ах, оу), коэффициента двухос-ности напряжений ?/= ах/оу в рабочей зоне образца для соотношений максимальных циклических нагрузок Р/Ру=+1 ;+0,5;0;-0,2, прикладываемых к лепесткам образца. Принято, что вертикальные напряжения ау являются растягивающими, а горизонтальные напряжения ох могут быть как сжимающими, так и растягивающими в зависимости от линии действия силы Рх.

Установлено, что для данной конструкции образца при вариациях вида двухосного нагружении зона однородного НДС занимает большую часть рабочей зоны образца (рисунок 6). Получена зависимость коэффициента двухосности напряжений в рабочей зоне образца от соотношения прикладываемых усилий. Установлено, что при планируемом в эксперименте соотношении нагрузок Р/Ру=+1;+0,5;0;-0,2 коэффициент двухосности напряжений в рабочей зоне образца соответственно равен 77=+/;+0,34;-0,2;-0,4.

Основная цель эксперимента состоит в установлении зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений. Для исследуемой геометрии образца выражение для коэффициента интенсивности напряжений записывается как

={сг12^)[(\ + т])-().-т1)со$2а\Ух(а1ч), (9)

где а - длина трещины; аЛу - относительная длина трещины; о - номинальное напряжение; а=90° - угол исходной ориентации дефекта.

1,5 1

0,5

с 0

-0,5

И IV

-J fi

Рх

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Рассстояние от центра образца по оси X, м

...... Рх/Ру=1 — — Рх/Ру=0,5 - * Рх/Ру=0 -Рх/Ру=-0,2

Рисунок 6 - Распределения коэффициента двухосности номинальных напряжений в рабочей зоне крестообразного образца

Расчет К-тарировочных функций экспериментальных образцов, входящих в уравнение (9), проводился для диапазона относительных длин трещин a/w от 0,1 до 0,6 и видов двухосного нагруже-ния ri=+l;+0,34;-0,2;-0,4 с использованием метода конечных элементов по методике, предложенной профессором Шляннико-вым В.Н. Сначала определялись через компоненты перемещений на верхней и нижней поверхностях трещины Т-напряжения, на их основе К-тарировочные функции

2(сг-Т) ¡27 1

r1(a/w) =

(Ю)

а \1 а 1 + /7 — (1 — /7)005 2 а где Т - Т-напряжения, второй несингулярный член разложения напряжений в области вершины трещины; г - полярные радиус.

Зависимости Т-напряжений, нормированных на величину прикладываемых напряжений к лепесткам образца, и К-тарировочных функций от относительной длины трещины и вида нагружения представлены соответственно на рисунках 7 и 8.

В качестве исходного концентратора напряжений в центре образца наносился сквозной надрез шириной 0,2мм и длиной 20мм под углом 90° по отношению к оси приложения максимальной нагрузки. Исходные усталостные трещины зарождались от надреза в условиях одноосного нагружения на сервогидравлической машине

-¿и.

-в-7)=+0,34 -А-тр-0,2

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Относительная длина трещины оЛи

Рисунок 7 - Т-напряжения для экспериментальных образцов 0,01

0,001

0,0001

2 Я

"В

5!

1

3 =

3

£ 0,00001

н и о л

л

§ 0,000001 а о к

и

0,0000001

10 100 Коэффициент интенсивности напряжений Ктах, МПа'м0,5

Рисунок 10 - Кинетические диаграммы усталостного разрушения при различных видах двухосного нагружения

я н

0,6

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Относительная длина трещины аМ Рисунок 8 - Я-тарировочная функция для экспериментальных образцов 2 с

-3

-0,5

0,5

Рисунок 11 - Диаграмма усталостного разрушения в нормированных

координатах

MTS 870 100kN Landmark при приложении усилий к лепесткам образца, не превышающих 0,5ат стали СтЗ.

Двухосное нагружение образцов было реализовано на серво-гидравлическом стенде BI-00-502 50kN Biaxial Test System (рисунок 9) при соотношениях прикладываемых усилий Р/Ру=+1;+0 5-0--0 2 частоте 5 Гц и коэффициенте асимметрии цикла нагружения R~0,1 Для наблюдения за ростом трещины использовался микроскоп MECIO. Через определенное число циклов нагружений замерялась длина трещины и строился график роста трещины. Для каждой скорости роста трещины по формуле (9) определялось наибольшее значение коэффициента интенсивности напряжений AK=Kmax-(l-R). В результате для всех рассматриваемых видов двухосного напряженного состояния были получены кинетические диаграммы усталостного разрушения (рисунок 10).

Рисунок 9 - Установка BI-00-502 50kN Biaxial Test System

В результате проведенных экспериментов установлено, что скорость роста трещины при равнодвухосном растяжении r¡=+l выше, чем при других рассматриваемых видах нагружения. На скорость роста трещины оказывает влияние вид напряженного состояния через зону пластичности у ее вершины. Установлено, что в случае равнодвухосного растяжения (^=+1), Т-напряжения равны нулю и размер зоны пластичности в области вершины трещины минимален. Для остальных видов напряженного состояния (r¡=+0,34; -0,2; -0,4) по мере увеличения относительной длины трещины значения Т-напряжений изменяются в отрицательную сторону, что приводит

15

к увеличению зоны пластичности и снижению скорости роста трещины.

В таблице 1 представлены параметры уравнений (2 и 4), описывающих линейные участки диаграмм усталостного разрушения.

Таблица 1 - Характеристики циклической трещиностойкости стали СтЗ

р/р,, >7 С, (МПа'ми'5)"п мм/цикл п К*, МПа ми'3

+1 + 1 2,5177-10"ш А,2121 20,4367

+0,5 +0,34 2,2383-Ю"10 4,0198 25,4430

0 -0,2 1,2187-Ю"11 4,7335 28,8851

-0,2 -0,4 3,8864-10"1и 3,6683 29,8485

Полученные диаграммы перестроены в безразмерные координаты С, их, которые позволяют получить единую диаграмму усталостного разрушения для различных видов двухосного нагружения = '8 (^тах/&к5) яО/уД (11)

где АК/С - критический коэффициент интенсивности напряжений; АК,И - пороговый коэффициент интенсивности напряжений; и8 -скорость роста усталостной трещины при АК3 = ■

Полученная диаграмма (рисунок 11) позволяет на основе ограниченных экспериментальных данных по скорости роста трещины при двухосном нагружении с помощью обратного перехода к базовым координатам получать характеристики циклической трещиностойкости стали СтЗ в диапазоне коэффициентов двухосности /7 от +1 до -0,4.

В четвертой главе приведена разработанная инженерная методика определения остаточного ресурса РВС при малоцикловом нагружении, учитывающая влияние сложного напряженного состояния, реализующегося в стенке во время эксплуатации, на параметры циклической трещиностойкости стали.

Исходными данными для определения срока безопасной эксплуатации РВС являются:

- эксплуатационные данные о режимах эксплуатации за последний год (уровень налива нефтепродукта К), а также радиус г, толщина стенки г, высота Н резервуара.

- параметры дефекта, выявленные в процессе технического диагностирования: длина дефекта 2а, глубина дефекта Ь0, расстояние от дна резервуара до местоположения дефекта с.

Предлагаемая методика оценки остаточного ресурса стенки резервуара с поверхностной усталостной трещиной включает в себя:

1. Определение номинальных кольцевых (аК11) и продольных 0„р) напряжений на уровне расположения дефекта, коэффициента двухосности t]=a„/aK!l при максимальном и минимальном уровне налива с использованием метода конечных элементов.

2. Вычисление максимального размаха кольцевых напряжений

АсГи, =, (12)

„„„ _max „min

гДе акц ' ат, ~ максимальное и минимальное значение кольцевых напряжений в процессе эксплуатации.

3. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений при различных условиях эксплуатации резервуара и варьировании отношения глубины трещины к толщине стенки методом конечных элементов. Определение К-тарировочной функции Y,(b/t,c,h/Н).

4. Экспериментальное определение параметров циклической трещиностойкости: критического К/с и порогового K,h коэффициентов интенсивности напряжений, характеристик п и К* в условиях двухосного нагружения с коэффициентом двухосности ц=ппр/аК1{.

5. Вычисление глубины не распространяющейся bth и критической Ъс трещины по соотношениям:

Ъ,н =K?h/(Y!(b/t,cJi/H)-a_l)27r, (13)

Ъе =K2fcl{yi{blt,c,hlH)-cr™}7r, (14)

где a_i - предел выносливости.

6. Итерационный расчет числа циклов до разрушения стенки

РВС

N = H-7---V' С")

kv 4 КГ7 • (АсгИ( -л[лЬ -Y, (Ь/t,c,h!Н)!К*)

где kv - коэффициент запаса по скорости роста трещины; bcrit - критическая глубина трещины, приводящая к отказу.

Предполагается, что исчерпание работоспособности конструкции происходит, если КИН в самой глубокой точке фронта дефекта достигает предельного значения Kfc, что приводит к неконтролируемому лавинообразному росту трещины, или глубина повреждения достигает критического значения bcrit.

7. Остаточный срок службы резервуара в годах (Т) определяется

N

Т = (16)

Nгод

где Л^год - число циклов нагружения за последний год.

Используя предложенную методику оценки остаточного ресурса, был разработан программный комплекс (рисунок 12) для прогнозирования срока эксплуатации РВС номинальным объемом 5000, 10000 и 20000 м3.

Рисунок 12 - Диалоговое окно программы оценки остаточного ресурса РВС с трещиноподобным дефектом в первом поясе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические исследования НДС стенки резервуаров с поверхностной трещиной, а также экспериментальные исследования параметров циклической трещиностойкости стали СтЗ в условиях двухосного нагружения позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров при эксплуатационных условиях нагружения и дефектах. Получены К-тарировочные функции первых поясов резервуаров, учитывающие изменение геометрических параметров поверхностной трещины в процессе эксплуатации и конструктивные особенности резервуаров. Использование полученных К-тарировочных функций позволяет повысить точность расчета коэффициентов интенсивности напряжений для поверхностных трещин различной формы в плане по сравнению с традиционным методом расчета на 10-20%.

2. Проведено экспериментальное исследование характеристик циклической трещиностойкости стали СтЗ при соотношениях двухосности номинальных напряжений г]=+1; +0,34; -0,2; -0,4 на крестообразных образцах. Для стали СтЗ экспериментально установлено, что скорость роста трещины монотонно возрастает при изменении коэффициента двухосности номинальных напряжений от отрицательных до положительных значений. Получена единая диаграмма усталостного разрушения в безразмерных координатах, позволяющая определять дискретные значения характеристик циклической трещиностойкости стали СтЗ в диапазоне двухосности номинальных напряжений от +1 до -0,4.

3. Разработана инженерная методика прогнозирования остаточного ресурса стенки резервуара при малоцикловом нагружении. Данная методика посредством К-тарировочной функции учитывает: влияние конструктивных особенностей резервуаров (приемо-раздаточных патрубков и уторного узла) на распределение локальных напряжений в стенке; изменение геометрических размеров поверхностной трещины в процессе эксплуатации. Использование в разработанной методике параметров циклической трещиностойкости стали, определенных в условиях двухосного нагружения, реали-

зуемого в стенке резервуара в процессе эксплуатации, позволяет учесть влияние вида нагружения на скорость роста дефекта.

Список работ, опубликованных по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Самигуллин Г.Х., Герасименко A.A. К вопросу о методике расчета остаточного ресурса резервуаров с трещиноподобными дефектами [Электронный ресурс] / Г.Х. Самигуллин, A.A. Герасименко // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". - 2013. - №3. - С. 263-272. - режим доступа:

http://www.ogbus.ru/authors/Samigullin/Samigullin_5.pdf

2. Шлянников В.Н., Захаров А.П., Герасименко A.A. Характеристики циклической трещиностойкости стали Ст-3 при двухосном нагружении / В.Н. Шлянников, А.П. Захаров, A.A. Герасименко // Научный журнал «Труды Академэнерго». - 2013. - №4. - С. 91101.

3. Самигуллин Г.Х., Герасименко A.A. Определение коэффициента интенсивности напряжений для резервуара РВС -10000 м3 / Г.Х. Самигуллин, A.A. Герасименко // Научно-технический журнал «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - 2014. -№1. - С. 102-111.

РИЦ Горного университета. 09.06.2014. 3.559. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2