Влияние геометрических несовершенств монтажных стыков стенки на малоцикловую прочность вертикальных стальных резервуаров

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Влияние геометрических несовершенств монтажных стыков стенки на малоцикловую прочность вертикальных стальных резервуаров

Специальность 05.23.01

«Строительные конструкции, здания и сооружения»

На правах рукописи

Василькин Андрей Александрович

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Соболев Юрий Всеволодович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поповский Богдан Васильевич

кандидат технических наук, доцент Еленицкий Эдуард Яковлевич

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А.Кучеренко (Москва)

Защита диссертации состоится «____»___________ 2007 г. в ________ ч. на заседании диссертационного совета Д 212.138.09 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Шлюзовая набережная, д.8, ауд._____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета по адресу: Москва, Ярославское ш.,26.

Автореферат разослан «_____»_____________ 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета Плотников А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основой для определения малоцикловой прочности вертикальных стальных резервуаров (РВС), изготовленных методом рулонирования, по существующим методикам расчета являются данные о значениях локальных деформаций формы, определение которых - одна из основных задач при расчете конструкции на малоцикловую прочность.

Существующие методики расчета малоцикловой прочности резервуара с дефектами формы не позволяют в полной мере учесть все факторы, влияющие на его прочность и остаточный ресурс.

Настоящая диссертация посвящена уточнению существующей методики расчета малоцикловой прочности с учетом фактической формы геометрических дефектов резервуара, а также влияния формы сварного шва и остаточных сварочных напряжений.

Цель диссертационной работы. Уточнить методику расчета малоцикловой прочности РВС с дефектами геометрической формы в зоне монтажных стыков стенки путем определения влияния геометрической формы и остаточных сварочных напряжений на локальные деформации с использованием разработанной автором математической компьютерной модели.

Поставленная цель может быть достигнута при выполнении следующих основных задач:

- анализ существующих методик расчета малоцикловой прочности РВС с дефектом геометрической формы в монтажном стыке стенки;

- разработка математической компьютерной модели РВС, обеспечивающей выполнение расчетов конструкции в линейной, а также в геометрически и физически нелинейной постановке;

- доказательство адекватности разработанной математической модели на основе тестовых расчетов и сравнения полученных результатов с существующими экспериментальными данными;

- исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) РВС в зоне монтажного стыка стенки и узла сопряжения стенки с днищем (уторного) с применением разработанной математической модели;

- определение влияния дефектов геометрической формы и остаточных сварочных напряжений на величину локальных деформаций в монтажном стыке стенки и уторном узле РВС;

- оценка адаптации НДС стенки резервуара под воздействием циклически приложенной нагрузки с учетом влияния геометрических дефектов и остаточных сварочных напряжений;

- оценка влияния дефектов геометрической формы и остаточных сварочных напряжений на усталостную прочность РВС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана конечно-элементная модель стенки РВС с дефектом геометрической формы в области монтажного стыка;

- уточнены на основе численного моделирования величины локальных деформаций монтажного стыка стенки и уторного узла РВС с учетом адаптации металла при воздействии циклически приложенной нагрузки, дефектов геометрической формы и влияния остаточных сварочных напряжений;

- определены значения локальных деформаций стенки РВС в области монтажного стыка и уторного узла с учетом фактической формы дефектов, влияния остаточных сварочных напряжений и формы сварного шва.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- учет влияния фактической формы геометрических несовершенств стенки, остаточных сварочных напряжений и формы сварного шва позволяет уточнить методику расчета малоцикловой прочности РВС, что увеличивает достоверность определения срока безопасной эксплуатации резервуаров;

- предложенная автором методика расчета НДС стенки резервуара с дефектами геометрической формы в зоне монтажного стыка применялась в расчетах обследованных автором резервуаров;

- результаты исследований позволяют установить в целях обеспечения заданного срока эксплуатации предельно допустимый уровень налива резервуара при дефектах геометрической формы, превышающих допустимые параметры с учетом циклического воздействия нагрузки на конструкцию.

Внедрение исследований Результаты исследований использованы при разработке руководящего документа РД 16.01-73.10.00-КТН-010-1-05 «Специальные нормы проектирования и строительства стальных вертикальных резервуаров объемом 100 000 м3».

Достоверность полученных научных результатов подтверждается: использованием адекватной математической модели, сопоставленной с уже существующими экспериментальными данными; адекватностью результатов, полученных в частных случаях, известным решениям других авторов.

Апробация работы. О результатах исследований было доложено на региональных научно-практических конференциях «Долговечность строительных материалов и конструкций» (Саранск, 2001 и 2005 гг.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и трех приложений. Объем работы составляет 188 стр., в том числе основной текст 158 стр., включая 94 рисунка, 15 таблиц, библиографический список на 17 стр. (191 наименование) и приложения на 11 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации отмечаются актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна работы, ее практическая значимость, достоверность полученных научных результатов, содержатся сведения об апробации проведенных исследований и о публикациях по теме диссертации.

В первой главе рассмотрены работы ряда авторов, в частности В.В.Кузнецова, В.В.Леденева, В.А.Прохорова, И.М.Розенштейна, А.Н.Шкинева, М.К.Сафаряна, А.А.Тарасенко, где анализируются причины аварий резервуаров и наиболее часто встречающихся дефектов.

Многие из эксплуатируемых резервуаров имеют дефекты геометрической формы, особенно те из них, которые смонтированы методом рулонирования. Появление таких дефектов обусловлено технологией изготовления рулонов и методом монтажа резервуаров.

При работе резервуара в условиях многократного повторно-статического нагружения возможен переход к предельному состоянию, связанному с появлением трещиноподобных дефектов в результате малоцикловой усталости.

В главе даны результаты натурных обследований РВС, проведенных автором диссертации, с указанием обнаруженных дефектов, причин их появления и рекомендуемых способов устранения.

Методика расчета малоцикловой прочности базируется на анализе распределения локальных пластических деформаций и использовании характеристик сопротивления материала циклическому деформированию и разрушению. Расчет малоцикловой прочности и определение долговечности листовых конструкций достаточно полно разработаны на стадии как возникновения трещины, так и существования в конструкции поверхностной трещины. При этом необходимо отметить работы С.В.Серенсена, Н.А.Махутова, Е.М. Морозова, А.Б. Злочевского.

Для аналитического описания числа циклов нагружения резервуара до возникновения трещины используются следующие методы: деформационный, силовой и энергетический. Выбор того или иного метода при расчете малоцикловой прочности определяется спецификой процесса деформирования и разрушения конструкции в конкретных условиях эксплуатации.

В зоне монтажного стыка стенки нагружение, как правило, происходит при постоянном размахе упруго-пластической деформации и монотонном ее возрастании, в связи с чем использован деформационный критерий усталостного разрушения, предложенный Коффином и Менсоном.

Число циклов нагрузки-разгрузки до образования усталостной трещины N определялось из выражения

монтажный сварной стык резервуар

, (1)

где амплитуда упругих деформаций;

=10 - коэффициент запаса прочности по долговечности;

- амплитуда пластических деформаций;

? - относительное сужение площадки поперечного сечения образца при статическом растяжении;

m = 0,5 - постоянная;

Е - модуль упругости;

- предел выносливости при симметричном цикле на базе 2·106 циклов.

В конце главы рассматриваются требования нормативных документов к величине допускаемых отклонений геометрической формы резервуара. Так, в стандарте ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» отмечается, что срок службы РВС обусловлен в основном коррозионными повреждениями и усталостной долговечностью стенки, которая в зонах вертикальных сварных соединений при цикличности циклов в год считается обеспеченной, если «стрелка угловатости» пояса () на базе мм составляет , где - толщина стенки пояса. При превышении указанных параметров необходимо оценивать срок службы резервуара с учетом параметров циклического нагружения - амплитуды и частоты нагружения, а также влияния сварных соединений.

Не до конца изучено влияние остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях на надежность и долговечность резервуарных конструкций. Этим вопросам посвящены научно-исследовательские работы В.С.Игнатьевой, Ю.С.Тарасевича, А.П.Сенаторова.

Механизм образования сварочных напряжений и их влияние на работоспособность сварных конструкций изучали Н.О.Окерблом, Б.Е.Патон, Г.А.Николаев, В.А.Винокуров, С.А.Куркин, В.М.Сагалевич, А.Г.Григорьянц, В.Ф.Лукьянов и др.

Как показывает опыт диагностирования резервуаров, одной из наиболее уязвимых зон при эксплуатации резервуаров является уторный узел.

Многочисленные публикации, посвященные изучению работы уторного узла, можно условно разделить на три группы. К первой группе относится разработанный М.К.Сафаряном расчет зоны соединения нижнего пояса стенки с днищем с учетом влияния свеса окрайка. Стенка и днище рассматриваются как система из двух полубесконечных балок единичной ширины, опирающихся на 2 упругих основания, первое из которых учитывает пространственную жесткость цилиндрической оболочки, а второе отражает свойства реального основания резервуара.

Наряду с традиционным методом сил можно применить предложенный Ю.В.Соболевым метод перемещений, который позволяет рассматривать узел сопряжения как однажды статически неопределимую систему с учетом нерастяжимости днища.

Вторая группа исследований использует систему сопряженных пластин и оболочек. Уторный узел резервуара рассматривается в виде сопряжения длинной цилиндрической оболочки постоянной толщины и кругового кольца, моделируемых в рамках моментной технической теории оболочек. Независимое интегрирование этих элементов, а также условия их совместного деформирования обеспечивают формирование системы из семи неоднородных алгебраических уравнений, решение которых позволяет определить все компоненты НДС в рассматриваемой зоне резервуара.

Третья группа работ объединяет исследования, выполненные с применением метода конечных элементов.

Во второй главе рассмотрены различные варианты деформации концевых участков полотнища стенки в зоне монтажного стыка (рис.1):

- в виде сходящихся под углом окружностей - «клювик»;

- в форме треугольника - «домик»;

- с образованием косинусоидальной кривой стенки резервуара.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решением задачи определения НДС монтажного стыка стенки резервуара занимались Ю.В.Соболев, А.Д.Колосков, В.М.Никиреев, П.Г.Почтовик и др.

НДС оболочки определяется с помощью вырезанной из нее полоски по дифференциальному уравнению цилиндрического изгиба пластины

(2)

где - расчетное давление;

- радиус оболочки;

- радиальное перемещение монтажного стыка стенки в результате воздействия мембранного усилия.

Исходя из анализа начальных форм отклонений функция начальных несовершенствможет быть представлена в следующих видах:

деформация типа «клювик»: ;

деформация типа «домик»: ;

косинусоидальная деформация: ,

где - амплитудное значение начального отклонения от правильной цилиндрической формы;

- текущий угол, отсчитываемый от оси монтажного шва;

- угол обхвата зоны начального отклонения цилиндрической оболочки.

Аналитическое исследование работы цилиндрической полосы с локальным искривлением позволяет описать весь процесс развития пластических деформаций при постепенном увеличении интенсивности нагрузки от нуля до некоторого конечного значения. При этом цилиндрическая полоса последовательно проходит несколько стадий работы в локальной зоне: на первой стадии полоса в зоне искривления работает упруго, напряжения в крайних волокнах не достигают предела текучести; на второй стадии образуется односторонняя текучесть только со стороны растянутых волокон, увеличение нагрузки сопровождается распространением зоны текучести как по толщине, так и по длине искривленного участка; на третьей стадии в искривленном участке, с внутренней стороны стенки, сжимающие напряжения в крайних волокнах достигают предела текучести - участок искривления начинает работать в условиях двухсторонней текучести. Дальнейшее увеличение нагрузки влечет за собой уменьшение упругого ядра и сокращение зоны текучести по длине стенки.

На основании теоретических исследований работы оболочки с дефектами геометрической формы можно сделать следующие выводы:

- расчет цилиндрического кольца большого диаметра, имеющего локальное отклонение от правильной цилиндрической формы, эквивалентен расчету цилиндрической полосы с таким же по форме и размерам геометрическим отклонением;

- при первом загружении во время гидроиспытаний остаточные сварочные напряжения вдоль оси шва создают плоское напряженное состояние, что приводит к увеличению жесткости монтажного сварного шва. При последующих нагружениях происходит релаксация сварочных напряжений за счет пластической работы металла стенки в зоне шва.

Результаты экспериментальных исследований показали, что пластические деформации по длине искривления стенки модели резервуара и образцов из цилиндрических полос распространяются на ограниченном расстоянии от оси шва, в пределах 4 - 8 толщин стенки. По мере увеличения нагрузки доля изгибных деформаций уменьшается за счет уменьшения амплитуды прогиба, при этом зона развития пластических деформаций сужается. Таким образом, состояние стенки резервуара, имеющего начальное отклонение в зоне монтажного стыка, характеризуется нелинейной зависимостью перемещений от нагрузки. Развитие деформаций в зоне монтажного стыка протекает значительно интенсивнее, чем в стенке без начального искривления.

В третьей главе приведен алгоритм создания математической компьютерной модели резервуара с дефектом геометрической формы в зоне монтажного стыка стенки.

В общей постановке задача определения НДС пространственной конструкции сводится к решению системы, состоящей из дифференциальных уравнений равновесия Навье, геометрических соотношений Коши и уравнений совместности деформаций Сен-Венана. Определение НДС конструкций РВС представляет собой статическую задачу в нелинейной постановке.

В диссертации в качестве критерия прочности принята гипотеза об энергии формоизменения Губера - Мизеса, согласно которой при сложном НДС достижение эквивалентными напряжениямипредела текучести, т.е. , приводит к переходу материала в пластическое состояние, а достижение временного сопротивления - к разрушению конструкции.

, (3)

где - главные значения тензора напряжений.

Для проверки адекватности разработанной конечно-элементной модели резервуара было определено НДС стенки резервуара в области монтажного стыка с дефектом типа «клювик» по данным исследования экспериментального резервуара, приведенного в диссертации А.Д.Колоскова.

Работа материала в упруго-пластической стадии рассматривалась с использованием билинейной (рис.2) и мультилинейной диаграммы работы стали. Применение различных диаграмм при проведении расчета не показало значительной разницы в его результатах.



Размещено на http://www.allbest.ru/

По полученным значениям остаточной пластической деформации и амплитуды упругих деформаций, используя известные условия прочности при малоцикловом нагружении, устанавливается число циклов до образования трещины N в области сварного шва при максимальной амплитуде нагрузки (полная нагрузка - разгрузка).

В самой простой постановке задачи расчета на первом этапе НДС стенки резервуара в области монтажного сварного стыка можно определить, используя балочную модель стенки резервуара. Этот расчет является оценочным и может служить для определения общей картины НДС стенки резервуара, выявления наиболее напряженных ее участков, а также позволяет быстро оценить НДС стенки и выявить участки для дальнейшего детального исследования (рис. 3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

На втором этапе моделирования уточняется сложное нелинейное НДС стенки с использованием оболочечных конечно-элементных моделей резервуара. Стенка резервуара рассматривается как трехмерная тонкостенная оболочка и аппроксимируется оболочечными элементами, применение которых позволяет достаточно точно определять реальную картину НДС стенки на участках, удаленных от мест концентрации напряжений.

Наличие допусков, заложенных в основу теории оболочек, не позволяет получить точные результаты на моделях в местах изменения толщины стенки резервуара и на других участках концентрации напряжений. Как правило, именно такие участки являются наиболее нагруженными и служат источниками зарождения трещиноподобных дефектов, приводящих к наступлению предельного состояния стенки.

Поэтому на третьем этапе моделирования проводится анализ НДС стенки с дефектами геометрической формы с применением объемных конечно-элементных моделей.

Анализ прочности эксплуатирующихся РВС в предложенной автором последовательности позволяет определить фактическое НДС конструкции резервуара с учетом геометрической и физической нелинейности (табл.1).

На основании расчетов установлено, что перемещения и пластические деформации стенки из малоуглеродистой стали оказались больше, чем стенки из низколегированной стали. Для стенок из приведенных типов стали деформации затухают на расстоянии 8 толщин стенки от оси стыка и переходят в зону упрочения при достижении ею 15%-ной нагрузки, что согласуется с теоретическими данными.

Сравнение пластических деформаций в вершине стыка показало, что расхождение составило менее 10%. Это подтверждает адекватность разработанной математической модели, а также возможность анализа НДС стенки резервуара с геометрическими дефектами.

Таблица 1. Результаты определения локальных деформаций

Данные	Деформации, %
	общие	упругие	пластич.
Экспериментальные данные, приведенные в работе А.Д.Колоскова	-	-	0,334
Результаты, полученные с помощью разработанных автором математических моделей:
	балочной	0,38	0,03	0,35
1.	оболочечной	0,42	0,036	0,38
2.	объемной	1,9	0,41	1,5
Результаты, полученные в работах Ю.В.Соболева	-	-	0,321

В четвертой главе анализируются методы расчета РВС с дефектами геометрической формы при циклическом нагружении.

Установлено, что допустимое число полных циклов нагрузки-разгрузки зависит в первую очередь от марки стали конструкции, амплитуды упругих деформаций и от остаточных пластических деформаций в сечении стенки, которые определяются расчетом.

Рассмотрена методика определения допустимого числа циклов нагрузки-разгрузки при наличии дефекта геометрической формы в монтажном стыке стенки.

Представлены результаты определения циклической долговечности РВС объемом 20000 м3 в г.Ульяновске с максимальным геометрическим отклонением типа «клювик» в монтажном стыке 3-го пояса, с величиной западания на базе ,

где - максимальная стрелка западания стенки;

- ширина зоны западания.

Аналитическое решение: определяются номинальные напряжения в уровне низа 3-го пояса: . Упругое радиальное перемещение монтажного стыка стенки определяем по аппроксимирующему выражению

,

где - гиперболический тангенс.

Тогда ширина зоны развития пластических деформаций по одну сторону от оси стыка будет составлять

5,92мм.

Приведенная величина момента инерции J сечения стенки при односторонней текучести и величина фиктивной стрелки начального отклонения будут , .

Максимальная упруго-пластическая деформация в околошовной зоне (со стороны растянутых от изгиба волокон) по выражению

составит.

Остаточные пластические деформации в околошовной зоне при первом нагружении, амплитуда упругих деформаций и коэффициент асимметрии условных упругих напряжений составят: ; .

Таким образом, при коэффициенте запаса прочности по долговечности допустимое число циклов нагрузки-разгрузки монтажного стыка, определяемое по зависимости (1), = 3322.

При определении НДС стенки резервуара в области монтажного стыка по методике, разработанной в гл. 3 диссертации, получим значение остаточных пластических деформаций и амплитуды упругих деформаций . С учетом полученных данных = 864.

Таким образом, допустимое число циклов нагрузки-разгрузки полученное по методике, представленной в диссертации, в 3 раза меньше допустимого числа циклов нагрузки-разгрузки, определенного аналитическим методом.

Установлено, что при нагружении резервуара искривление стенки стремится принять правильную цилиндрическую форму. При этом к общим радиальным перемещениям стенки резервуара от гидростатического давления продукта в области ее западания добавляются местные перемещения. Изменение геометрической формы стенки резервуара сопровождается появлением остаточных пластических деформаций в вершине стыка. Таким образом, состояние стенки резервуара в области монтажного стыка с дефектом геометрической формы характеризуется нелинейной зависимостью. Развитие деформаций в этой зоне протекает значительно интенсивнее, чем в стенке без начального искривления.

Результаты проведенного автором численного исследования показали, что развитие пластических деформаций распространяется на расстояние до 4 толщин стенки в каждую сторону от оси стыка и что НДС стенки резервуара в значительной степени формируется в результате ее первого нагружения. Уже на этом этапе работы конструкции развиваются пластические деформации в области монтажного стыка стенки с дефектом геометрической формы.

Для определения пластической адаптации металла стенки резервуара был выполнен расчет на действие циклически приложенной эксплуатационной нагрузки. После первого разгружения в вершине стыка стенки зафиксирована максимальная остаточная величина относительных пластических деформаций (рис.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Изменение амплитуды пластических деформаций в вершине стыка

После 4-5 циклов нагрузки-разгрузки резервуара изменение амплитуды относительных пластических деформаций составляет сотые доли процента, градиент затухания с каждым циклом уменьшается на 0,01%, т.е. материал стенки пластически адаптируется уже на первых циклах нагружения.

Проведены исследования локальных деформаций для разных уровней заполнения продуктом РВС объемом 20000 м3 и различных параметров зоны дефекта. Результаты расчетов приведены в табл.2, где представлена зависимость между и значениями локальных деформаций в зоне монтажного стыка стенки. На рис. 5 представлен график, отражающий зависимость между уровнем нагружения и при f = 26мм.

Таким образом, результаты исследований позволяют установить допустимый уровень наполнения резервуара при различных параметрах зоны дефекта в зависимости от заданного .

Таблица 2. Значение локальных деформаций в зависимости от нагрузки и величины дефекта

Уровень заполнения продуктом, м	Стрелка «клювика» f = 26мм	Стрелка «клювика» f = 15мм
	Деформации		Деформации
	общие	упругие	пласт.		общие	упругие	пласт.
max	0,0152	0,0035	0,0117	864	0,0028	0,0020	0,0009	3871
-1,5	0,0133	0,0032	0,010	1040	0,0023	0,0020	0,0005	3874
- 3,0	0,0104	0,0029	0,0075	1392	0,0019	0,0019	-	Упругая работа
-4,5	0,0074	0,0025	0,0049	2061	-	-	-
-6,0	0,0044	0,0021	0,0023	3353	-	-	-

Рис.5. Влияние уровня нагрузки на допустимое число полных циклов нагрузки-разгрузки

Для выявления влияния формы сварного шва на НДС стенки резервуара была решена задача определения локальных деформаций в области горизонтального сварного шва стенки, выполненного по ГОСТ 9467-60, на примере РВС объемом 50003 по типовому проекту №704-1-67.

Установлено, что по линии сплавления сварного шва металл достигает предела текучести. На напряженное состояние стыка существенно влияют размер сварного шва и форма перехода к основному металлу. Результаты свидетельствуют, что прочность стыка определяется локальными зонами концентрации напряжений в области дефектов.

Для определения степени влияния остаточных пластических деформаций в сварном шве на локальные деформации стенки резервуара воспользуемся эпюрами распределения остаточных сварочных напряжений, приведенными в диссертациях П.Г.Почтовика и Ю.С.Тарасевича.

В табл. 3 представлены полученные автором значения локальных деформаций в вершине стыка в зависимости от влияния остаточных сварочных напряжений.

Таблица 3

Влияние остаточных сварочных напряжений на локальные деформации

Наименование	Деформации
	упругие	пласт.
Остаточные сварочные напряжения отсутствуют	0,0035	0,0117	864
Сжимающие остаточные сварочные напряжения нормальные к оси шва	0,00495	0,0109	390
Растягивающие остаточные сварочные напряжения нормальные к оси шва	0,00195	0,0117	4091
Растягивающие остаточные сварочные напряжения, действующие в двух плоскостях,	0,00244	0,0121	2170

Из табл. 3 видно, что сжимающие остаточные сварочные напряжения снижают значение пластических деформаций и повышают амплитуду упругих деформаций в сварных швах РВС, а растягивающие остаточные сварочные напряжения повышают значение пластических деформаций и снижают амплитуду упругих деформаций.

В результате расчета установлено, что сжимающие остаточные напряжения, близкие по значению к пределу текучести стали, уменьшают амплитуду пластических деформаций на 4%. При нескольких циклах нагрузки-разгрузки происходит стабилизация пластических деформаций и после четвертого-пятого цикла изменение составляет сотые доли процента. Следовательно, остаточные напряжения не оказывают значительного влияния на адаптацию металла стенки от циклически приложенной нагрузки, т.е. материал пластически адаптируется уже на первых циклах нагрузки-разгрузки.

В пятой главе выполнен тестовый расчет НДС уторного узла РВС с использованием разработанной математической модели, учитывающий нелинейное НДС уторного узла.

В табл. 4 приведены результаты аналитического решения системы канонических уравнений и результаты, полученные с использованием разработанной автором математической модели. Из таблицы видно, что расхождение результатов составило менее 3%. Это свидетельствует об адекватности построенной математической модели уторного узла резервуара.

Таблица 4.Определение НДС в зоне уторного узла

Решение	Напряжения в днище	Напряжения в стенке
Аналитическое	740	920
С помощью математической модели	726	944

Использование этой модели при анализе НДС уторного узла позволяет оперативно оценить прочность конструкции без нахождения многочисленных коэффициентов, независимо от вида основания резервуара - необходимо знать лишь коэффициент постели основания.

В результате выполненного автором расчета получены характеристики распределения интенсивности напряжений, позволяющие качественно оценить влияние формы уторного шва стенки на уровень расчетных напряжений.

Установлено, что максимальная интенсивность напряжений и деформаций в уторном узле резервуаров локализуется в зонах сопряжения внутреннего углового шва с основным металлом. Напряжения в этих зонах превышают расчетное сопротивление стали и достигают предела текучести.

Уровень максимальных напряжений в наружном угловом шве меньше, чем во внутреннем шве.

В локальных зонах сопряжения внутреннего углового шва с основным металлом при каждом полном цикле нагрузки-разгрузки происходят пластическая деформация и накопление малоцикловой усталости. Уторный узел резервуара работает как упруго-пластический шарнир.

Полученные результаты расчета НДС уторного узла указывают на следующее:

- для повышения надежности и долговечности внутреннего сварного уторного шва необходимо обеспечивать минимальную концентрацию напряжений в зонах сопряжения с основным металлом; недопустимы дефекты сварного шва - подрезы и наплывы; шов должен выполняться с плавным сопряжением;

- наружный шов уторного узла можно выполнять в соответствии с общими требованиями к сварным соединениям резервуаров;

- с целью повышения долговечности эксплуатации уторного узла на крупных резервуарах рекомендуется проводить экспериментальные исследования.

Определение долговечности узла сопряжения стенки с днищем, одновременно с определением амплитуды меридиональных деформаций для соответствующих величин размахов уровня заполнения резервуара продуктом показало, что для уже построенных резервуаров объемом 20 000 м3 этот узел не определяет долговечность конструкции независимо от режима эксплуатации резервуара. Возникшие в уторном узле амплитуды деформаций оказываются меньше, чем амплитуды деформаций, соответствующие пределу выносливости для всех возможных в процессе эксплуатации размахов уровня заполнения. Отсюда следует, что долговечность узла сопряжения стенки с днищем для вертикальных стальных резервуаров обеспечена независимо от режима их эксплуатации (диссертация П.Г. Почтовика).

ВЫВОДЫ

1. Создана математическая компьютерная модель РВС, позволяющая выполнять расчеты конструкции в линейной, геометрически и физически нелинейной постановке и предназначенная для исследования НДС в узлах резервуара при действии горизонтальных и вертикальных нагрузок. В отличие от предшествующих исследований предлагаемая расчетная схема учитывает фактическую геометрическую форму стенки резервуара, а также влияние на нее остаточных сварочных напряжений.

2. Сравнение полученных в диссертации теоретических значений остаточных пластических деформаций, амплитуды упругих деформаций и остаточных напряжений в стенке резервуара, имеющей геометрические дефекты формы в области монтажного стыка, с известными экспериментальными данными показало хорошую сходимость результатов с разбросом менее 10 %, что свидетельствует об адекватности созданной математической модели.

3. С помощью данной модели исследовано влияние дефектов геометрической формы и остаточных сварочных напряжений на величину локальных деформаций в монтажном стыке стенки и в уторном узле РВС. При этом использованы данные известных экспериментальных исследований распределения остаточных напряжений по сечению стенки.

4. Установлено, что сжимающие остаточные напряжения снижают амплитуду пластических деформаций, а растягивающие - повышают. Влияние, которое оказывают остаточные напряжения на пластические деформации, незначительно и находится в пределах 3-4%.

5. При определении локальных деформаций в стенке резервуара с использованием разработанной модели на примере РВС-20000 в г. Ульяновске уточнено допустимое число циклов нагрузки-разгрузки по сравнению с теоретическим расчетом по аппроксимирующим выражениям геометрической формы так, что снизилось до 3 раз.

6. Определены локальные деформации в монтажном стыке стенки резервуара с дефектом геометрической формы от воздействия циклически приложенной нагрузки. Исследования показали, что пластические деформации в такой стенке с учетом физической нелинейности после первых 4-5 циклов нагрузки-разгрузки изменяются на 0,01%, т.е. стремятся к устойчивому режиму упругой работы.

7. На основе выполненного расчета построены графики, отражающие влияние начального искривления стенки и остаточных сварочных напряжений на характер и уровень напряженного состояния в зоне монтажного стыка стенки, что позволяет оценить усталостную долговечность резервуаров и удобно для поверочных расчетов.

8. В результате исследований установлены предельно допустимые уровни налива резервуара, обеспечивающие заданный срок эксплуатации при дефектах геометрической формы в зоне монтажного стыка, превышающих допустимые параметры, с учетом циклического воздействия нагрузки на конструкцию.

9. Показано, что разработанные математическая модель и алгоритм определения локальных деформаций позволяют уточнить существующие методики расчета на малоцикловую прочность резервуаров с геометрическими дефектами формы в области монтажного сварного стыка стенки.

10. Результаты исследований были использованы при разработке РД 16.01-73.10.00-КТН-010-1-05 «Специальные нормы проектирования и строительства стальных вертикальных резервуаров объемом 100 000 м3».

Акт о внедрении результатов данной научно-исследовательской работы приведен в приложении к диссертации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Колосков А.Д., Василькин А.А., Колосков Д.А. Обзор исследований НДС стенок цилиндрических конструкций в зонах продольных стыков, имеющих дефекты в форме угловатости. Долговечность строительных материалов и конструкций/Материалы науч.-практ. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2001. - С. 119-126.

2. Соболев Ю.В., Василькин А.А., Колосков А.Д. Определение напряженно-деформированного состояния стенки с геометрическими дефектами в области монтажного стыка численными методами//Промышленное и гражданское строительство. - 2005. - №12. - С. 44-45.

3. Востров В.К., Василькин А.А. Оптимизация высот поясов стенки резервуара //Монтажные и специальные работы в строительстве. -2005.-№11.- С.37-40.

4. Василькин А.А., Колосков А.Д. Расчет напряженно-деформированного состояния стенки резервуара РВС10000 методом конечных элементов. Долговечность строительных материалов и конструкций/Материалы науч.-практ. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 108-114.

5. Василькин А.А., Колосков А.Д. Обзор исследований по методам ремонта вертикальных стальных резервуаров. Долговечность строительных материалов и конструкций/Материалы науч.-практ. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С.119-124.

6. Дорошенко Ф.Е., Фуфаев С.В., Василькин А.А. Остаточные напряжения и пути повышения надежности и долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров//Монтажные и специальные работы в строительстве. -2007.-№6.- С.2-7.

Размещено на Allbest.ru

...