Учет влияния трещиновидных дефектов на прочность резервуара

УДК 624.014.2.04: 681.3

/Егоров Е.А., к.т.н., доц., Кустовский А.А., асс. (ПГАСиА, Украина), Набокова И.И. к.т.н., доц./.

Постановка проблемы. Несмотря на огромное количество работ в области прочности тел с трещинами (механика разрушения), можно констатировать, что на сегодняшний день какой-либо приемлемой для инженерной практики методики расчета, позволяющей оценить влияние трещиновидных дефектов (ТД) на прочность стального резервуара, не существует. Это обусловлено целым рядом причин [1]. Вместе с тем, в любом резервуаре, так или иначе, присутствуют дефекты, которые можно отнести к трещиновидным. Наиболее часто встречаются дефекты сварных швов: подрезы, непровары, неметаллические включения, трещины и т.д. Все эти дефекты являются весьма опасными и мало предсказуемыми по степени опасности. С течением времени эта опасность все более возрастает под воздействием, с одной стороны, процессов коррозии, с другой стороны, процессов возможного подрастания этих ТД под действием циклически изменяющейся нагрузки (заполнение и опорожнение резервуара). Не учитывать эти обстоятельства при оценке несущей способности попросту нельзя.

Изложение основного материала. В действующих проектных нормах [2] подобные обстоятельства предусматривается учитывать оценкой хрупкой прочности конструкций. Однако известная формула:

(1)

записана исходя из концепции полного недопущения в конструкциях ТД, и совершенно не реагирует на время. С учетом выше приведенных особенностей очевидно, что применение ее в технической диагностике практически ничего не дает (в действительности, несмотря ни на какие требования и виды контроля, вероятность наличия тех или иных ТД в сварных конструкциях очень велика).

В качестве альтернативной оценки влияния ТД на прочность стальных конструкций, и в частности стальных резервуаров, в [1] предложен метод сравнительных оценок трещиностойкости, методологической основой которого является концепция «начальной дефектности» конструкций и в то же время категорическое недопущение ТД. Кажущейся несовместимости указанных двух положений в действительности не существует, поскольку оценка трещиностойкости производится не по фактическим, а по фиктивным ТД, которые по статистике могут присутствовать в конструкции. Главной оценкой влияния ТД является коэффициент , который определяется как отношение:

, (2)

; , (3)

где - соответственно фактические и критические характеристики механики разрушения базовой конструкции (это могут быть характеристики конструкции в ее исходном состоянии);

- то же для конструкции (или ее состояния), сопоставляемой с базовой.

В качестве характеристик механики разрушения (все в (3)) могут использоваться коэффициент интенсивности напряжений , -интеграл, величина раскрытия трещины и т. п.

Критические значения определяются по результатам испытаний стандартных образцов. Очевидно, см. (2), (3), что если сравниваются конструкции из одного материала и в процессе эксплуатации нет факторов, изменяющих свойства сопротивляемости материала ТД, то , и необходимость определения указанных характеристик вообще отпадает.

Фактические значения определяются чисто расчетным путем для фиктивных (гипотетических) ТД, условно вводимых в конструкцию в наиболее опасные и статистически характерные зоны. Расчетные параметры фиктивных ТД определяются на основе статистики натурных обследований исследуемых конструкций. Один из возможных подходов к определению расчетных параметров ТД рассмотрен в [3]. Различия между и будут иметь место при действии усталостных механизмов износа, а также в случае различий между параметрами ранее вводившихся ТД и параметрами ТД, обнаруженных при диагностике. Эффект проявления усталостных механизмов определяется расчетным путем на основе использования известных зависимостей типа уравнения Пэриса-Эрдогана [4] и известных рекомендаций по его применению для строительных марок стали [5, 6]. И в том, и в другом случаях определение и не является простым, но и не связано с какими-либо принципиальными трудностями.

В [1] рассмотрены примеры применения предложенного метода оценки для решения следующих задач:

- выбор основного варианта на стадии вариантного проектирования конструкций;

- оценка несущей способности конструкций после определенного периода эксплуатации в сравнении с их первоначальной несущей способностью;

- оценка эффективности конструктивных мероприятий, связанных с усилением конструкций с целью повышения или восстановления их несущей способности.

Таким образом, реализация метода сравнительных оценок либо вообще не требует определения критических характеристик хрупкости материала, либо это определение может быть осуществлено на стандартных образцах (такие испытания по строительным маркам стали неоднократно проводились и их результаты хорошо известны). Именно в этом состоит основное преимущество рассмотренного метода. Главным же его недостатком является отсутствие абсолютной оценки опасности имеющихся в конструкции ТД (не все дефекты могут быть устранены, а, кроме того, совсем не обязательно, что все ТД будут обнаружены). Для восполнения указанного недостатка авторы используют одну из прикладных методик известного двухпараметрического подхода, основой которой является построение диаграммы оценки разрушения конструкции (ДОР). ДОР, см. рис. 1, строится в относительных координатах , где - коэффициент интенсивности напряжений (КИН); - критическое значение КИН; – номинальное растягивающее напряжение с учетом влияния дефекта; – разрушающее напряжение.

По координатам и определяется вектор состояния конструкции на данном этапе эксплуатации, который интегрально учитывает влияние трещиновидного дефекта и коррозионного износа на несущую способность конструкции.

Условие неразрушимости конструкции, содержащей ТД, представляется в данном случае (см. рис. 1) в виде:

ОМ ≤ ОМ*. (4)

Рис.1. Диаграмма оценки разрушения (ДОР)

Следует отметить, что рассмотренные в данной статье алгоритмы не являются совершенными, но вполне могут быть использованы в качестве первого приближения оценки влияния ТД на несущую способность стальных конструкций. Особую актуальность их применение имеет для конструкций, склонных к хрупким или усталостным разрушениям. Крупногабаритные стальные резервуары являются ярким представителем таких конструкций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Егоров Е. А. Решение задач хрупкой прочности строительных металлоконструкций методом сравнительных оценок/ Металеві конструкції, Донбаська ДАБА.-Макеївка, 1998.-Т.1.-№1.-С. 41-46.

СНиП II-23-81 Стальные конструкции. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96c.

2. Егоров Е. А., Кустовский А. А. Анализ результатов дефектоскопии сварніх соединений нефтяного стального резервуара обїемом 50000м³/ Cб. научн. трудов Приднепровской ГАСА «Строительство, материаловедение, машиностроение».-2002.-Вып. 18. –С. 68-74.

3. Парис П., Эрдоган Ф. Критический анализ законов распространения трещин// Труды АОИМ. Серия Д. Техническая механика (перевод с англ.). М., «Мир», 1972.

4. Бурак М.И. Распространение трещин малоцикловой усталости в цилиндрических сосудах давления // Проектирование металлических конструкций. – ЦИНИС, 1979. – НТРС. – Сер. 17. – Вып. 9. – С. 4–9.

5. Муханов К.К. и др. К расчету долговечности циклически нагружаемых стальных конструкций // Промышленное строительство. 1976. - N 4. - С. 36-39.