Методика определениясрока безопасной эксплуатации резервуаров с трещиноподобными дефектами в первом поясе на основе критериев механики разрушения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621/641

Методика определения срока безопасной

ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ

С ТРЕЩИНОПОДОБНыМИ ДЕФЕКТАМИ В ПЕРВОМ ПОЯСЕ НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЕВ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Г.Х. САМиГУЛЛиН, к.т.н. доцент, зав. кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа», E-mail: samigullin_gch@spmi.ru

А.А. ГЕРАСиМЕНкО, аспирант кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа», E-mail: anastasiya.geras@mail.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» (Россия, Санкт-Петербург, 21 линия, д. 2)

Представлена методика прогнозирования остаточного ресурса резервуаров с трещиноподобным дефектом в первом поясе. Отличительной особенностью методики является то, что она учитывает сложно-напряженное состояние стенки резервуара, использует параметры циклической трещиностойкости, определенные при двухосном нагружении, К-тарировочную функцию для конкретного типоразмера резервуара и трещины.

Ключевые слова: стальной вертикальный резервуар, трещиноподобный дефект, прогнозирование остаточного ресурса.

В настоящее время срок эксплуатации большей части стальных цилиндрических резервуаров (РВС) превышает нормативный срок службы 20 лет [1]. Согласно требованиям Постановления Правительства № 241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производствен-ныхобъектовнатерриторииРоссийскойФедерации» от 28 марта 2001 г., Федерального Закона № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 г. эксплуатация резервуаров по завершению проектного срока службы возможна только после экспертной оценки их технического состояния.

Существует мнение [2-5], что повреждения оказывают различное влияние на техническое состояние конструкции. Следовательно, эксплуатацию резервуара можно продолжить без ремонта, если доказано, что дефекты не нарушают работоспособность конструкции.

Для расчётной оценки долговечности стенки резервуаров с трещиноподобными дефектами в последние десятилетия используют методы механики разрушения [3-10], в частности уравнение Пэриса:

da/dN = C(AKT)n,

(1)

где da/dN — скорость роста трещины; а — характерный размер трещины; N — число циклов; АК-= АКтах- АКтЫ — размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН); С, п — коэффициенты уравнения Пэриса, определяемые экспериментальным путем для конкретного вида материала и нагружения.

КИН характеризует интенсивность поля напряжений в вершине трещины и учитывает приложен-

ные нагрузки, размер и форму трещины, геометрию дефектной конструкции. В общем виде формулу для расчета КИН можно записать в следующем виде:

AK, = Y, До yfmä ,

(2)

где Ао7 = отах— о0 — размах действующих напряжений; отах — максимальное напряжение цикла; о0— минимальное напряжение цикла; — безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии тела, параметров трещины и условий нагружения, называемый Я-тарировочной функцией.

При предположении, что длина трещины изменяется от начальной длины а0 до критической акр, число циклов до разрушения вычисляется по формуле:

a

(1-0,5и) (1-0,5 и)

N =

0

-a

кр

(0,5и - 1)С(0,5п )0,5иДо "

(3)

К сожалению, расчетная модель (3) имеет ряд недостатков.

Во-первых, в данном случае резервуар рассматривается как идеализированная модель, без учёта люков, неукрепленных отверстий, патрубков и т.д. Для учёта конструктивных особенностей резервуаров при оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) следует использовать метод конечных элементов (МКЭ).

Во-вторых, не указано, каким образом следует получать характеристики циклической трещино-стойкости С и п. В стенке РВС реализуется сложно-напряженное состояние, вызванное действием растягивающих кольцевых о и сжимающих продоль-

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2014

ных опр напряжений, особенно в первом поясе, где расположены приёмо-раздаточные патрубки (ПРП) и уторный узел. Следовательно, параметры циклической трещиностойкости необходимо определять в условиях двухосного нагружения, как это показано в работе [11].

Кроме того, константа С не является самостоятельной величиной, поскольку зависит от показателя степени п, значит не может быть характеристикой материала. Для описания стабильного роста трещины авторами работы предложено использовать уравнение[12]:

da = da К тах п _ ( ) ( * ) ,

dN dN К

(4)

где К* — наибольший КИН, соответствующий скорости роста трещины ^а^ЭД*=10-4 мм/цикл; данный параметр, в отличие от коэффициента С, дает определенную характеристику материала.

В-третьих, как показывает анализ литературы и нормативных документов [3-10], при расчёте ресурса резервуаров используются выражения КИН в полубесконечной пластине, к которой приложено одноосное растягивающее напряжение. Кроме того, в формуле (3) КИН определён при постоянной К-тарировочной функции. Однако при подрастании трещины и изменении условий нагружения данная функция увеличивается, что приводит соответственно к уменьшению числа циклов до разрушения [11,12].

Таким образом, существующий подход к оценке прочности резервуаров с трещиноподобными дефектами не позволяет достаточно точно оценить совместное влияние условий нагружения и геометрии резервуара, особенно в первом поясе, который, как известно, является самым нагруженным элементом РВС. На основании приведенных выше положений была разработана методика прогнозирования остаточного ресурса РВС с поверхностной полуэллиптической трещиной в первом поясе.

Исходными данными для данной методики являются:

• эксплуатационные данные: радиус срединной поверхности резервуара, г; толщина стенки резервуара, Ц высота резервуара, Л; уровень налива нефтепродукта, Н; высота первого пояса резервуара, I; вес оборудования, крыши и т.д.

• параметры трещины, выявленные при технической диагностике: длина дефекта 2а; глубина дефекта Ь0; с — расстояние от днища резервуара до местоположения дефекта;

• для расчётов цикличность нагружения принимается равной приведённой цикличности за последний год эксплуатации резервуара.

При определении срока безопасной эксплуатации первого пояса резервуара с трещиноподобным дефектом в настоящей методике принимаются следующие положения:

• в процессе роста трещины отношение между её глубиной и длиной остается постоянным и составляет 1/3;

• расчёт проводится для трещины, расположенной перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям;

• расчёт ведётся в упругой постановке;

• расчёт ведётся для каждой конкретной трещины в стенке РВС.

Предлагаемый способ оценки усталостной долговечности первого пояса резервуара с трещиной заключается в следующем.

1. Определить номинальные кольцевые (о ) и продольные (о ) напряжения в зоне расположения дефекта, коэффициент двухосности П=опр/окц с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Подробно методика проведения расчета НДС описана в работе [13].

В случае аналитической оценки НДС значения кольцевых напряжений, рассчитанных по рекомендациям [14], следует умножить на поправочную функцию f. Данная функция была получена для различных типоразмеров РВС, как отношение номинальных кольцевых напряжений, рассчитанных МКЭ к аналитическим. Ниже представлены поправочные функции f для РВС номинальным объемом 5000 м3 в зависимости от местоположения дефекта: между ПРП и на расстоянии 1,5 условного диаметра ПРП, (с, Н в метрах) соответственно:

^с, Н) = —0,5488 + 4,723с — 0,0001274Н— —0,6194с2 + 0,1072сН — 0,003126Н2— —7,537с3 —0,2639с2Н+ 0,0006325сН2+ (5)

+ 0,0004968Н3 +7,056с4 + 0,1516с3Н+ +0,01503с3Н — 0,001117сН3 —2,194е"5Н4— —1,817с5—0,052с4Н + 0,0005381с3Н2 — —0,0006565с2Н3 + 6,612с-5сН4

^с, Н) = —0,4329 + 4,548с + 0,0068378Н— —1,878с3 +0,03962сН—0,0007915Н2— —5,476с2 — 0,1134с2Н — 0,002519сН2+ +2,116е"5Н3 +5,712с4+ 0,1399с3Н— (6)

—0,002227с2Н3 +0,000383сН3 +5,711е"7Н4— — 1,528с5—0,04539с4Н — 0,0001738с3Н2 — —0,000107с2Н3 —1,72е"5сН4

2. Определить максимальный размах кольцевых напряжений в соответствии с формулой:

Дф = smax_s min

ку ку ку '

(7)

где dnax , s min — максимальное и минимальное значе-

ку ку

ние кольцевых напряжений в стенке РВС в процессе эксплуатации.

3. Экспериментально определить параметры циклической трещиностойкости: критический КИН (AKfc), пороговый КИН (AKfh), коэффициент циклической трещиностойкости (n) и КИН, соответствующий скорости роста трещины (da/dN)*=10-4 мм/цикл (К*),

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2014

Таблица 1

К-тарировочная функция для трещины в первом поясе РВС

Объём резервуара, РВС, м3 c/l Поправочная функция Yi Поправочная функция Yi

Между патрубками На расстоянии 1,5 условного диаметра

5000 0,2 0,4207 +0,06057x +2,118y --0,05378x2 +0,03873y x -1,727y2 0,4371 +0,03776x +2,094y --0,02763x2 +0,02526y x -1,568y2

0,4 0,4733 +0,0155x + 1,962y --0,0172x2 +0,01966 y x -1,512y2 0,318 +0,02907x +2,701y --0,02953x2 +0,02897y x -2,045y2

0,6 0,4738 +0,06118x +1,914y --0,045x2 +0,0116y x -1,401y2 0,2868 +0,01917x +2,883y --0,01104x2 +0,01153y x -2,087y2

0,8 0,3888 +0,1868x +2,125y --0,1401x2 +0,03575y x -1,609y2 0,2799 +0,04145x +2,987y --0,01869x2 +0,04545y x -2,174y2

в условиях двухосного нагружения с коэффициентом двухосности, определенном в п. 1. Методика проведения подобных испытаний подробно описана в работе [11].

4. Выбрать Я-тарировочную функцию YI в зависимости от местоположения трещины и типоразмера РВС. В таблице представлены аналитические выражения Я-тарировочной функции для РВС номинальным объемом 5000 м3 . При необходимости нужно использовать интерполяцию.

5. Рассчитать глубину не распространяющейся и критической трещины по соотношениям:

8. Рассчитать срок эксплуатации в годах:

bth =

К

th

(gп

b =

К

fc

(8)

(9)

(g^c)П

где о Л — предел выносливости; о — максимальное кольцевое напряжение в зоне расположения дефекта.

6. Рассчитать число циклов до разрушения по уравнению:

N = — к

л bcrU

-J

i' J S ьп

db

10

- 4

Ao,

• л/пЬ • ,

f

(10)

K

Т =

N N год

(12)

Предполагается, что исчерпание работоспособности конструкции происходит в следующих случаях: КИН в самой глубокой точке фронта трещины достигает предельного значения АК^(К^), что приводит к неконтролируемому лавинообразному росту трещины; глубина поверхностной трещины достигает критического значения Ьи .

7. Рассчитать общую долговечность элемента конструкции Nc с учётом числа циклов N0 до образования трещины [6-10]:

Nc= N0+N, (11)

где ^ — число циклов до образования макротрещин; N — число циклов до образования лавинообразной трещины.

где Т — срок безопасной эксплуатации конструкции с дефектом; N — расчётное число циклов нагружения; NZod — число циклов нагружения за последний год.

Выводы

Применяемые в настоящее время методики прогнозирования остаточного ресурса резервуаров с трещино-подобными дефектами не учитывают геометрические и физические параметры конструкции, полный спектр нагрузок и воздействий, который испытывает резервуар в процессе эксплуатации.

Разработана методика расчёта числа циклов до разрушения РВС с трещиноподобным дефектом в первом поясе. Методика предполагает использование МКЭ для расчета НДС, КИН резервуара с заданными параметрами дефекта. В методике учитываются реальные эксплуатационные нагрузки, характеристики циклической трещи-ностойкости стали, определенные при соответствующем коэффициенте двухосности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса сварных вертикальных резервуаров. — М.: НК «РОСНЕФТЬ», 2004. — 51 с.

2. Махутов НА. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

3. Зайнуллин Р.С., Постников В.В. Несущая способность сварных сосудов с острыми поверхностными дефектами при малоцикловом нагружении // Сварочное производство. — 1982. — № 7. — С. 8-10.

4. Нагинаев К.Е. Прогнозирование разрушения конструкционных сталей: автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. — Санкт-Петербург, 2012. — 20 с.

5. Нагаев Р.З. Комплексная система обеспечения безопасности эксплуатации резервуарных парков: автореф. дисс. канд. техн. наук. — Уфа, 2008. — 24 с.

6. СА-03-008-08. Резервуары вертикальные стальные сварные для нефти и нефтепродуктов. Техническое диагностирование и анализ безопасности: (Методические указания). — М., 2009. — 288 с.

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2014

7. РД-16.01-60.30.00-КТН-063-1-05. Правила технической диагностики резервуаров, 2005-12-15. — М.: Транснефть, 2005. — 275 с.

8. СТ0-03-001-06 «Экспертиза промышленной безопасности стальных вертикальных сварных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», 2006. — М.: Изд-во «Корина-офсет», 2007. — 242 с.

9. РД-23.020.00-КТН-296-07. Руководство по оценке технического состояния резервуаров ОАО «АК «Транснефть». — М.: Транснефть, 2007. — Ч. 1. — 135 с.

10. РД 153-112-017-97. Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров. разработана. — АО «Нефтемонтаждиагностика», 1997. — 31 с.

11. Шлянников В.Н., Захаров А.П., Герасименко АА. Характеристики циклической трещиностойкости стали

Ст-3 при двухосном нагружении // Труды Академэнерго. — 2013. — № 4. — С. 91-101.

12. Романив О.Н., Ярема С.Я., Никифорчин Г.Н. и др. Механика разрушения и прочность материалов. Т.4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов: справ. пособие / Под общ. ред. В.В.Панасюка. — Киев: Наукова думка, 1990. — 680 с.

13. Самигуллин Г.Х., Герасименко АА. Определение коэффициента интенсивности напряжений для резервуара РВС 10000 м3 // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2014. — № 1. — С. 102111.

14. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов, 2012, серия 3, вып. 69. — М.: НТЦ ПБ, 240 с.

technique of determination residual life of vertical steel tanks with crack-like defects in first belt based on fracture mechanics

Samigullin G.X., candidate of Science, Head of Department of Oil and Gas transportation and storage, E-mail: samigullin_gch@spmi.ru

Gerasimenko A.A., Post Graduate Student, Department of Oil and Gas transportation and storage

National mineral Resources University (2, 21st line, Vasilevsky Ostrov, Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation) ABSTRACT

Presents a methodology for predicting the residual resource tanks crack-like defect in the first zone. A distinctive feature of the technique is that it takes into account the complex stress state of the walls of the tank, uses the cyclic crack defined under biaxial loading, K-calibration function for a particular size of the tank and crack.

Keywords: steel vertical tank, crack-like defects, residual life prediction. REFERENCES

1. Instruktsiya po diagnostike i otsenke ostatochnogo resursa svarnykh vertikal'nykh rezervuarov [Instructions for diagnosis and evaluation of the residual life of welded vertical tanks], 2004. Moscow: ROSNEFT Publ., 2004. 51 p.

2. Makhutov N.A. Deformatsionnyye kriterii razrusheniya i raschet elementov konstruktsiy na prochnost' [Deformation and fracture criteria for the calculation of structural elements for durability]. Moscow: Mashinostroyeniye Publ., 1981. 272 p.

3. Zaynullin R.S., Postnikov V.V. Svarochnoye proizvodstvo — Welding. 1982, no. 7, pp. 8-10.

4. Naginayev K.E. Prognozirovaniye razrusheniya konstruktsionnykh staley: avtoref. diss... kand. fiz.-mat. nauk [Prediction of fracture of structural steels: Author. diss ... Cand. Phis.-Math. Sci.]. Sankt-Peterburg. 2012. 20 p.

5. Nagaev R.Z. Kompleksnaya sistema obespecheniya bezopasnosti ekspluatatsii rezervuarnykh parkov: avtoref. diss.kand. tekhn. nauk [Integrated security system manual tank farms: Author. diss ... Cand. Tehn. Sci.]. Ufa, 2008. 24 p.

6. SA-03-008-08. Rezervuary vertikal'nyye stal'nyye svarnyye dlya nefti i nefteproduktov. Tekhnicheskoye diagnostirovaniye i analiz bezopasnosti: Metodicheskiye ukazaniya [Standard Association SA-03-008-08. Welded steel vertical tanks for crude oil and petroleum products. Technical diagnostics and analysis of safety: Guidelines], 2009. Moscow, 288 p.

7. RD-16.01-60.30.00-KTN-063-1-05. Pravila tekhnicheskoy diagnostiki rezervuarov [Terms technical diag-nostics tanks], 2005. Moscow: Transneft Publ., 275 p.

8. ST0-03-001-06. Ekspertiza promyshlennoy bezopasnosti stal'nykh vertikal'nykh svarnykh rezervuarov dlya nefti i nefteproduktov [Standard Organization ST0-03-001-06. Examination of industrial safety of welded steel vertical tanks for oil and petroleum products], 2006. Moscow: Korina-ofset Publ., 2007. 242 p.

9. RD-23.020.00-KTN-296-07. Rukovodstvo po otsenke tekhnicheskogo sostoyaniya rezervuarov AK «Transneft» [Guidance Document RD-23.020.00-KTN-296-07. Guidelines for technical assessment tanks AK «Transneft»] 2007. Moscow: Transneft Publ., Part 1. 135 p.

10. RD 153-112-017-97. Instruktsiya po diagnostike i otsenke ostatochnogo resursa vertikal'nykh stal'nykh rezervuarov. [Guidance Document RD 153-112-017-97. Instructions for diagnosis and residual life assessment of vertical steel tanks]. 1997. Ufa: Neftemontazhdiagnostika. 31 p.

11. Shlyannikov V.N., Zakharov A.P., Gerasimenko A.A. Trudy Akademenergo — Proceedings Akademenergo. 2013, no. 4, pp. 91-101.

12. Romaniv O.N., Yarema S.YA., Nikiforchin G.N. and etc. Mekhanika razrusheniya i prochnost' materialov. T.4. Ustalost' i tsiklicheskaya treshchinostoykost' konstruktsionnykh materialov [Fracture Mechanics and strength of materials. Vol.4. Cyclic fatigue and fracture of structural materials]. Kiev: Naukova dumka Publ., 1990, 680 p.

13. Samigullin G.Kh., Gerasimenko A.A. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov — Problems of gathering, processing and transportation of oil and oil products. 2014, no.1, pp. 102-111.

14. Rukovodstvo po bezopasnosti vertikal'nykh tsilindricheskikh stal'nykh rezervuarov dlya nefti i nefteproduktov [Safety Manual vertical cylindrical steel tanks for petroleum and petroleum products], 2012. Moscow: STC Publ., Ser. 3. Is. 69, 240 p.

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2014