В статье описывается методика расчета ресурса уторных узлов на основе анализа напряженно-деформированного состояния. Были проведены экспериментальные исследования на натурных образцах с различными параметрами уторных соединений. Результаты экспериментов и расчетов позволили определить оптимальные формы и размеры уторных сварных швов, а также установить максимально допустимые значения глубины подрезов.
На сегодняшний день в России разработана крупная система нефтепроводов, в которой находятся свыше тысячи вертикальных резервуаров из стали. Значительная доля из них была сооружена в 1980-х годах и уже исчерпала предельный срок службы. Предельный срок службы резервуаров составляет 30 лет.
Компании, осуществляющие эксплуатацию, регулярно осуществляют проверку, обслуживание резервуаров, а также проводят их ремонт, при этом особенно важным для них является увеличение срока службы и сокращение объема необходимых ремонтных работ.
При проведении проверки особое внимание придается компонентам конструкции резервуара, которые работают в условиях напряженно-деформированного состояния при повышенной нагрузке. Наиболее важным элементом резервуара считается соединение между стенкой и днищем – узел утоньшения стенки.
Важный факт: неисправности и повреждения сварных соединений, такие как подрезы, трещины, вызывают наибольшую концентрацию напряжения. Они играют решающую роль при построении прогнозов безопасного срока службы и эксплуатации резервуаров. Срок подтверждается исследованиями и результатами диагностики, в которых рассматриваются трещины, развивающиеся от подрезов в области соединения уторного шва и окрайки.
Оценка долговечности узлов
- Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) в области дефекта;
- Расчет количества циклов до появления повреждений;
- Вычисление количества циклов до разрушения узла утоньшения.
Для определения НДС в узле утоньшения был применен метод конечных элементов, который учитывает реальную геометрическую форму. Для создания моделей и решении задач применяется программный комплекс ANSYS. Для уменьшьшении времени расчета разработаны два вида конечно-элементных моделей.
Для первой модели было выбрано условие, при котором воздействие краевого эффекта от днища ослабевает в пределах первой зоны и включает первую зону стенки резервуара, окрайку днища, уторный шов без дефектов и упругое основание резервуара. Нагрузки осуществляются при помощи гидростатического давления и весом конструкции.
Результаты расчета показали, 95% максимального значения напряжения вызвано нагрузкой от изгиба, возникающей из-за ограниченности деформаций.
Другая модель включает сегменты первой зоны стенки, окрайки длиной 200 мм, а также уторный сварной шов со значениями выпуклости и вогнутости. Нагрузка была задана в виде двух сил, приложенных к концам модели таким образом, чтобы напряжение в области уторного шва имела различия от одной модели не более чем на 2%. Сгущение сетки выполнялось в области пересечения сварного шва и окрайки.
Конструкции резервуара проектировались с использованием плоских элементов типа «шелл» (Shell). Расчет напряжений и деформации осуществлялся на основе предположения об упруго-пластическом поведении материала. Модель используется для определения фактических напряжений в образце без дефектов сварного соединения и в образце с подрезами разной глубины.
Напряжение в области подреза окрайки из стали варьируются от 285 Мпа для сварных соединений с выпуклостью 3–4 мм до 500 МПа для сварных соединений с подрезом глубиной 3 мм. Такие же значения напряжений для другого типа стали (например, 16Г2АФ) составляют от 346 МПа до 560 МПа.
Результаты расчетов второй модели показали, что эффективной формой сварного соединения считается вогнутый шов. Величина вогнутости уторного шва составляет 3–4 мм, при таком результате гарантируется отсутствие пластических деформаций, развивающихся в зоне уторного сварного соединения при эксплуатации.
При проектировании и строительстве наилучшим вариантом будет создавать вогнутый внутренний шов с глубиной 3–4 мм, чтобы снизить напряжения.
- Начало роста трещины;
- Начало разрушения соединения.
Расчет ресурса на основе критерия начала роста трещины выполнялся по формуле Нейберга.
В связи с этим, с целью обеспечения безопасной эксплуатации уторного соединения без образования трещин рекомендуется устанавливать критерий отбраковки на глубину подреза не более 0,3 мм.
Алгоритм включает следующие шаги:
- Определение деформированного состояния вблизи вершины дефекта;
- Проверка достижения деформаций в зоне дефекта предельных значений;
- Определение напряженно-деформированного состояния вблизи трещины, которая развивается от вершины дефекта;
- Проверка достижения деформаций предельных значений в зоне трещины;
- Увеличение размера трещины с учетом ее подращивания в цикле.
В ходе проведенных исследований ресурса уторных узлов резервуаров и оптимизации их формы на основе анализа напряженно-деформированного состояния, были получены важные практические выводы.
Во-первых, установлено, что минимальные эксплуатационные напряжения достигаются в уторных швах с величиной вогнутости 3-4 мм. Это означает, что при проектировании и строительстве резервуаров рекомендуется формировать внутренний шов с указанной величиной вогнутости, что способствует снижению напряжений и повышению долговечности соединения.
Во-вторых, исследования ресурса позволили установить, что максимально допустимая глубина подреза уторных узлов при строительстве резервуаров составляет 0,3 мм. Однако, при диагностировании резервуара, уторные узлы с подрезами глубиной до 2 мм могут быть признаны безопасными для дальнейшей эксплуатации.
В-третьих, предложена комплексная методика расчета ресурса уторных соединений, которая базируется на полученных зависимостях напряженно-деформированного состояния в области дефекта и применении проверенных методик, позволяющих оценить процесс развития трещины. Это предоставляет возможность более точной оценки долговечности уторных узлов и принятия соответствующих решений в области проектирования и эксплуатации резервуаров.
Наконец, результаты экспериментальных исследований натурных образцов подтвердили полученные расчетные зависимости, что говорит о надежности разработанной методики и ее применимости для оценки технического состояния резервуаров.
В целом, результаты данного исследования имеют важное значение для проектировщиков и операторов резервуаров, предоставляя им рекомендации по оптимизации формы уторных узлов, определению максимально допустимых параметров подрезов и расчету их ресурса. Это способствует повышению безопасности и долговечности резервуаров в процессе их эксплуатации.
