Инженерная методика оценки прочности стальных резервуаров с учетом трещиновидных дефектов
/Егоров Е.А., к.т.н., доц., Кустовский А.А., асс. (ПГАСиА, Украина)/.
В настоящее время на территории Украины находится множество стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов, которые нуждаются в оценке технического состояния и обосновании целесообразности дальнейшей эксплуатации. Результаты натурных обследований и дефектоскопии подобных резервуаров, проводившихся сотрудниками Лаборатории надежности резервуарных конструкций "ЛАНАРК" (ПГАСиА), свидетельствуют о наличии в них множества различных дефектов. Все обследования проводились по единой методике и в соответствии с требованиями действующих технических правил и инструкций[1,2]. В итоге в настоящее время имеются подробные данные о техническом состоянии более 400 резервуаров объемом от 100 до 5000 куб. м. Это позволяет произвести классификацию дефектов, характерных для данного класса конструкций. Их можно классифицировать по следующим признакам: природе происхождения, масштабности, расположению относительно поверхности конструкции.
По природе происхождения дефекты разделяются на технологические и эксплуатационные. Технологические дефекты образуются при изготовлении и монтаже конструкций. Появление эксплуатационных дефектов непосредственно связано с периодом эксплуатации, и может быть вызвано следующими факторами: неравномерными осадками, коррозионным воздействием среды на основной металл и сварные швы, цикличностью нагрузки, нарушениями правил эксплуатации стальных резервуаров.
По масштабности все дефекты можно разделить на макродефекты и микродефекты. К макродефектам можно отнести неравномерную осадку основания, дефекты геометрической формы, сплошную коррозию, отступления от проекта. Все микродефекты можно разделить на дефекты сварных швов и дефекты основного металла. В сварных соединениях стальных резервуаров могут присутствовать следующие дефекты: трещины, непровары, подрезы, газовые поры, шлаковые включения, прожеги, кратеры, свищи, оплавления, несоответствия геометрическим размерам, смещения кромок, местная коррозия. Для основного металла характерны расслоения, вырывы, свищи, местная коррозия (питтинги, язвы, борозды). Подавляющее большинство вышеописанных микродефектов можно отнести к трещиновидным дефектам (ТД).
По расположению относительно поверхности различают дефекты: поверхностные, подповерхностные и сквозные.
Нормативный расчет несущей способности [1] признает стальной резервуар пригодным к эксплуатации, если максимальные напряжения в стенке не превышают предел текучести стали с учетом соответствующих коэффициентов метода предельных состояний. Однако этот расчет не учитывает возможность хрупких разрушений, основной причиной которых является наличие в конструкции всевозможных трещиновидных дефектов. Практика натурных обследований показывает, что характерной особенностью крупногабаритных конструкций с большой протяженностью сварных швов является большая вероятность наличия тех, или иных ТД (подрезы, непровары, цепочки пор и т.д.). Этот факт обуславливает необходимость дополнения традиционного расчета на прочность стальных резервуаров оценкой по критериям статической и циклической трещиностойкости. Такая оценка обычно производится по соотношениям механики разрушения. Условия неразрушимости конструкции, содержащей трещиновидный дефект, представляются в виде:
(1)
Где Т – одна из известных характеристик механики разрушения K, J, a, G (соответственно коэффициент интенсивности напряжений, J – интеграл, величина раскрытия трещины и удельная работа разрушения); Тс – критические значения этих же характеристик.
Однако существуют и двухпараметрические подходы к оценке прочности конструкции, которые позволяют комплексно учесть возможность как хрупкого, так и вязкого разрушения [2]. Одной из прикладных методик такого подхода является использование диаграммы оценки разрушения конструкции (ДОР).
Рис.1. Диаграмма оценки разрушения (ДОР).
Рис.2. Диаграмма оценки разрушения стального резервуара.
ДОР строится в
относительных координатах
- мера приближения к хрупкому разрушению,
- мера приближения к вязкому разрушению (см. рис.
1), где K - коэффициент интенсивности напряжений (КИН);
KС - критическое значение КИН;
– номинальное растягивающее напряжение с учетом
влияния дефекта;
– разрушающее напряжение.
Граничная кривая А-ТХ-ТВ-В
является предельной кривой, ограничивающей условие достижения предельной
несущей способности конструктивного элемента с трещиновидным дефектом. На
данной схематичной диаграмме она складывается из трех прямолинейных участков,
разделенных между собой точкой хрупкости
и точкой вязкости
(см. рис.1.). Значения координатных коэффициентов авторы
[2] предлагают принять равными
и
. Таким образом, граничная кривая точками хрупкости
ТХ и вязкости ТВ
делится на три участка соответствующие трем возможным типам разрушения:
хрупкому, квазихрупкому и вязкому.
1.
Участок хрупкого
разрушения
, где критерий
разрушения
;
2.
Участок квазихрупкого
разрушения
, где действует смешанный критерий вида
;
3.
Участок вязкого
разрушения
, где выполняется критерий
.
Процедура использования
двухпараметрического подхода для расчета конкретной конструкции на прочность
следующая. Сначала вычисляются
и
. Затем для данного
уровня нагружения определяются конкретные значения
и
, и на диаграмму
наносится соответствующая точка М (рис. 1.). Коэффициент запаса прочности
для данной расчетной точки М определяется графически как:
(2)
где М* - точка пересечения луча нагружения ОМ с граничной кривой А-ТХ-ТВ-В. Такое простое решение для КМ возможно потому, что при данном выборе координатных осей лучи нагружения
являются прямыми линиями - увеличение нагрузки приводит к пропорциональному изменению Kr и Sr.
В случае, если расчетная точка М попадает на граничную кривую А-ТХ-ТВ-В, либо за ее пределы, то считается, что конструкция исчерпала свою несущую способность.
Для того, чтобы применить ДОР для оценки прочности стальных резервуаров, необходимо преобразовать ее следующим образом. Во-первых, уточнить положение точек ТХ и ТВ (значение коэффициентов m и n), которое будет соответствовать резервуарным сталям и толщинам листов. Во-вторых, привести уровень надежности всех расчетных характеристик в соответствие с действующими нормативными документами, т.е. ввести в расчет коэффициенты надежности метода предельных состояний.
Авторами было проведено исследование коэффициентов m и n применительно к стальным резервуарам, содержащим поверхностные дефекты глубиной 10-50% от толщины листа.
Согласно нормативным документам максимальное растягивающее напряжение в цилиндрической стенке вертикального стального резервуара (РВС) ограничивается следующим соотношением:
(3)
где, Ryn
– нормативное сопротивление
стали по пределу текучести,
gc
– коэффициент условий работы,
gь
–
коэффициент надежности по материалу;
gn
– коэффициент надежности по назначению сооружения. В качестве разрушающего
напряжения при вычислении координаты
Sr
будем использовать расчетное сопротивление стали
. Коэффициенты
gc
и
gn
предлагается учитывать посредством отсечения предельной кривой вертикальной
линией, проходящей через точку
.
Теперь необходимо ввести коэффициенты, гарантирующие достаточную надежность при использовании критерия хрупкого разрушения. Предлагается воспользоваться такой системой коэффициентов:
(4)
где f1, f2 – коэффициенты запаса на погрешность в определении напряжений и коэффициента интенсивности напряжений соответственно; f3 – коэффициент запаса на модель трещиностойкости; f4 – коэффициент запаса на рассеяние KC.
Логично предложить в
качестве предельного коэффициента интенсивности напряжений в расчете
Kr
использовать величину
, поскольку
f4
зависит только от свойств материала (по аналогии с напряжением вязкого
разрушения
). Коэффициенты
f1,
f2,
f3
– предлагается
учитывать отсечением предельной кривой горизонтальной линией, проходящей
через точку
.
Таким образом, граничная кривая А-ТХ-ТВ-В для стальных резервуаров преобразуется в А*-С-В* (см. рис.2.). Коэффициент запаса прочности вычисляется по соотношению (2), точку М* получаем пресечением луча нагружения с линией А*-С-В*.
Рассмотрим пример
применения методики. Требуется проверить на прочность участок вертикального
шва цилиндрической стенки РВС вместимостью 5000 м3, содержащий
подрез глубиной а = 1,5 мм, и длиной
l
= 100 мм (см.
рис. 3). Материал - сталь ВСт3сп5,
= 240 Мпа, минимальная температура эксплуатации –40 °С.
Критический коэффициент интенсивности
напряжений при заданной температуре: Kc = 47,5 Мпа*м1/2.
Гидростатическое давление в уровне дефекта Р = 0,135 МПа,
толщина стенки t = 10 мм, радиус кривизны стенки r
=10,46 м.
Рис.3. Вертикальный сварной шов с подрезом
Рис.4. Пример построения диаграммы оценки разрушения стального резервуара.
Коэффициент интенсивности напряжений для подреза можно рассчитать по формуле для поверхностной трещины:
(5)
где
- максимальное растягивающее напряжение в зоне дислокации
дефекта; а – глубина дефекта; F(l, a/l, a/t, r) – коэффициент Ньюмена; l – длина
дефекта; t – толщина стенки; r – радиус кривизны поверхности оболочки.
Для данного подреза: K=12
Мпа*м-1/2. Критический коэффициент интенсивности напряжений для
данной толщины листа и температуры эксплуатации, с учетом коэффициента
надежности
составит: Kc=47,5/1,7=27,94 Мпа*м-1/2.
Значит координата Kr=12/27,94=0,43.
Номинальные растягивающие напряжения вычисляются по соотношению:
(6)
где
- коэффициент снижения прочности дефектной оболочки
относительно бездефектной; его можно определить по формуле:
(7)
(для данного дефекта
» 1),
= 0,135*10,46/0,01=141,2 Мпа. Координата Sr=1
41,2/240=0,59.
Наносим точку М(0,43;0,59) на диаграмму (см. рис.4.).
Применительно к этому случаю и с учетом проведенных ранее исследований принимаем f1*f2*f3 = 1,37, следовательно, точка А* имеет координаты (0;0,73). Коэффициент условий работы для нижнего пояса gС=0,6, gn=0,95, значит координаты точки В*(0,63;0). Получим граничную линию А*-С-В* (см. рис.4.).
Затем получаем точку М* пересечением луча нагружения ОМ с линией А*-С-В*. По соотношению (2) вычисляем запас прочности: КМ = 1,06
ЛИТЕРАТУРА:
[1]. СНиП II-23-81* Стальные конструкции. – М.: Госстрой СССР, 1988.- 96с.
[2]. Ориняк І. В., Тороп В. М. Методологія оцінки залишкової міцності магістральних трубопроводів з тріщинами. //Нафтова і газова промисловість.- Київ, - 1998.-.№1.- С. 31-36.
[3]. ВБН В.2.2-58.2-94 «Резервуары вертикальные стальные для хранения нефти и нефтепродуктов с давлением насыщенных паров не выше 93,3 кПа», Киев, Госкомнефтегаз,1994, с.98.