Особый подход к определению допустимых размеров вмятин на поверхности стенки вертикальных цилиндрических резервуаров

Евдокимов В.В., к.т.н., ЦНИИПСК им. Мельникова

Труфанов Н.А., д.т.н., проф., Пермский гос. техн. ун-т

Сметанников О.Ю., к.ф.-м.н., доцент, Пермский гос. техн. ун-т

Вмятины, один из распространенных дефектов формы стенки резервуаров, имеют широкую вариацию геометрии, размеров и мест расположения, обусловленную разнообразными причинами их возникновения.

К основным причинам следует отнести:

нарушение технологии сборки и сварки отдельных элементов стенки при монтаже и ремонте металлоконструкций;

неравномерную осадку оснований в процессе эксплуатации резервуаров.

В нормативном документе РД 08-95-95 для обеспечения эксплуатационной надежности резервуаров введены ограничения величины максимальной стрелы прогиба в зоне вмятины в зависимости от размеров деформированного участка, замеренных вдоль образующей стенки. Однако при назначении допусков не учитывается ни ширина вмятин, ни их форма и месторасположение по высоте стенки резервуара. Опыт многолетней безотказной эксплуатации резервуаров с данным дефектом формы, не удовлетворяющим требованиям норм, свидетельствует об отсутствии достаточной обоснованности вводимых ограничений.

В связи с тем, что устранение вмятин на поверхности стенки резервуаров во многих случаях представляет собой технически сложную задачу и не всегда оправданно, актуальное значение приобретает разработка инженерной методики расчета предельно допустимых размеров вмятин и некоторых других дефектов формы с учетом их геометрии, месторасположения, условий нагружения резервуара и других значимых факторов. В данной статье изложены некоторые результаты, полученные при разработке такой методики применительно к вмятинам на поверхности стенки резервуаров.

В основу методики положен деформационный критерий малоциклового разрушения, широко используемый в настоящее время при расчете конструкций с повышенными требованиями к безопасной эксплуатации. Расчет допускаемых чисел циклов нагружения [N] выполнен в зависимости от размахов (разность максимального и минимального значений) условных упругих напряжений в цикле нагружения ??*, равных произведению размахов местных упругих или упругопластических деформаций на участке стенки с вмятиной на модуль упругости, с учетом следующих основных положений:

[??*] = exp8,453/N0,31. (2)

Наличие вмятины на поверхности стенки не приведет к образованию усталостных трещин на соответствующем участке за рассматриваемый период времени эксплуатации циклически нагруженного резервуара, если выполняется следующее условие прочности:

??* ? [??*] (3)

где [??*] — допускаемый размах местных условных упругих напряжений (в МПа) в цикле нагружения, определяемый по формулам (1) или (2); ??* — наибольший размах местных условных упругих напряжений в зоне вмятины, вычисляемый по формуле

где D — диаметр стенки резервуара; ? — удельный вес рабочего продукта; t — толщина участка стенки с вмятиной; Нпрmin = max{0, Hmin — (Н0 + 0,25Н)} — минимальная высота столба жидкости над вмятиной; Нпрmax = Hmax –(H0 + 0,25H) –максимальная высота столба жидкости над вмятиной; Hmin, Hmax — соответственно минимальный и максимальный уровни взлива в цикле нагружения резервуара; Н — высота вмятины (расстояние от нижней до верхней точки вмятины, измеренное по вертикали, см. рисунок); H0 — расстояние от нижнего края вмятины до днища; K?* — коэффициент концентрации условных упругих напряжений, т. е. отношение максимальных условных упругих напряжений в зоне вмятины к напряжениям на уровне того же пояса стенки, но вдали от вмятины.

Для одиночной изолированной вмятины, форма которой в плане соответствует эллиптической, получена следующая формула для вычисления коэффициента K?*

где f — стрела прогиба вмятины, т. е. максимальное отклонение от образующей цилиндрической поверхности резервуара в радиальном направлении в зоне вмятины, измеренное на пустом резервуаре, мм; Н — высота вмятины, мм; B ?= В/Н — относительная ширина вмятины; В— абсолютная ширина вмятины, измеряемая по горизонтали как расстояние от крайней левой до крайней правой точки границы вмятины, мм; t — минимальная толщина стенки резервуара в зоне вмятины, мм.

Рис. 1. Основные размерные характеристики вмятины

Формула (5) может быть использована при выполнении следующих граничных условий (см. рисунок):

где R = D/2 — радиус стенки резервуара; Нр — высота стенки резервуара.

Формула (5) для расчета коэффициента концентрации напряжений получена с использованием следующей численной методики. Интервалы изменения параметров f, Н, B ? и t были разбиты на равные участки. В узлах полученной сетки методом конечных элементов в пакете ANSYS рассчитывались значения коэффициента концентрации напряжений

где ?max — максимальная интенсивность напряжений в зоне вмятины; ?0 — интенсивность напряжений при отсутствии дефекта.

При расчете использовали элементы SHELL93, задачу решали в геометрически и физически линейной постановке с единичным постоянным давлением от столба жидкости без учета краевых эффектов. Форма вмятины считалась эллиптической в плане, ее профиль описывался выражением

x = r cos(?); rК(?), r, ? – соответственно радиус контура и координаты точек вмятины в плане в полярной системе координат, связанной с ее геометрическим центром.

Далее с помощью алгоритма многофакторной регрессии GSRM на описанной выше сетке узлов была построена гиперповерхность (5). Тестирование проводили на случайно выбранном в диапазоне изменения параметров f, H, B ?, t множестве из 500 точек.

Максимальное относительное отклонение полученных по формуле (5) значений к? от его тестовых значений не превысило 15 %.

С использованием данной численной методики могут быть получены формулы для вычисления коэффициентов K?* в зоне вмятин более сложной конфигурации.

Результаты обследования резервуаров, длительное время находящихся в эксплуатации и имеющих на поверхности стенки дефекты формы (типа вмятин), подтвердили достоверность предложенных зависимостей в пределах указанной области определения.

Таким образом, на основании рассмотренной методики расчета можно в каждом конкретном случае принять решение о целесообразности устранения вмятин сверхнормативных размеров (согласно РД 08-95-95), выявляемых при обследовании вертикальных цилиндрических резервуаров.