Численное моделирование дефектов стыковых сварных соединений типа угловатость и депланация Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.3

И.Н. СМИРНОВА, Р.Ю. БАННИКОВ Пермский государственный технический университет

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ СТЫКОВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА УГЛОВАТОСТЬ И ДЕПЛАНАЦИЯ

Приводится численный конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта сварного шва вертикального цилиндрического резервуара в рамках деформационной теории упругопластичности. Рассматриваются два дефекта: смещение кромок сварного шва и угловатость. Определяются значения коэффициента концентрации напряжений (ККН) в зависимости от величины дефекта и уровня нагрузки, которые сравниваются с данными, обобщающими результаты инженерных методик.

Вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов являются объектами повышенного внимания, так как их разрушение может привести к серьезным экономическим и экологическим последствиям. Разрушение резервуаров может быть вызвано рядом причин, среди которых можно выделить концентраторы напряжений, возникающие в районах несовершенств и дефектов форм. Концентраторы напряжений могут возникать как в процессе эксплуатации, так и во время монтажа резервуара. Существующие нормативные документы, основанные на инженерных методиках, позволяют оценивать остаточный ресурс такого рода конструкций, но они в ряде случаев предъявляют завышенные требования, запрещая эксплуатацию резервуаров, которые могли бы успешно эксплуатироваться в течение еще значительного срока. Следовательно, актуальной является проблема анализа такого рода конструкций с имеющимися дефектами форм. Одними из наиболее опасных дефектов являются депланация и угловатость. Рассмотрим последовательно эти дефекты.

Угловатость. Данный дефект формы стенки характерен для «прямых» вертикальных монтажных стыков резервуаров, изготовленных из рулонных заготовок, обусловлен неправильной технологией сборки и сварки стыковых соединений полотнищ.

Выбирается сечение в месте максимального размера дефекта вертикального сварочного шва резервуара. Сечение симметричное, поэтому левую половину отбрасываем и заменяем связью. Край рассматриваемого фрагмента удален на расстояние, на котором дефект не оказывает влияния на граничные условия. С одной стороны прикладывается распределенная нагрузка, соответствующая окружным напряжениям, возникающим при заполнении резервуара нефтесодержащей жидкостью,

с обеих сторон имеются закрепления. Схема приведена на рис. 1. На этом рисунке: р -

приложенная распределенная нагрузка; 8 -

толщина стенки резервуара; Н - протяженность дефекта; / - величина дефекта.

Депланация. Данный дефект представляет собой следующее: при сваривании отдельных листов стали встык нельзя добиться идеального

Рис. 1. Схема дефекта угловатость

© Смирнова И.Н., Банников Р.Ю., 2009.

совпадения уровня срединной поверхности оболочки, и поэтому происходит ее искажение, то есть депланация.

Выбирается сечение в месте максимального смещения кромок вертикального сварочного шва резервуара. Края рассматриваемого фрагмента равноудалены от места стыка кромок на расстояние, на котором дефект не оказывает влияния на граничные условия. В силу малой кривизны рассматриваемого фрагмента считается, что у рассматриваемой части она отсутствует. С одной стороны прикладывается распределенная нагрузка, соответствующая окружным напряжениям, возникающим при заполнении резервуара нефтесодержащей жидкостью, с другой стороны стенка закреплена. Схема приведена на рис. 2. На этом рисунке: р - приложенная

распределенная нагрузка; е - величина смещения кромок; 8 - толщина стенки резервуара; Н - протяженность дефекта.

Н

б

-ГР

Рис. 2. Схема дефекта депланация

Решается задача о плоско-деформированном состоянии в рамках теории малых упругопластических деформаций. В качестве материала выбрана сталь марки ВСТ3СП

(модуль упругости Е = 1,94 1011 Па, коэффициент Пуассона У = 0,35). Кривая деформирования принимается идеализированной и состоит из 3 участков: упругость, площадка текучести (предел текучести - 260 МПа; площадка текучести от 0,134 % до 1,3 % деформации) и упрочнение (предел прочности - 450 МПа).

Для описания упругопластического поведения материала используется следующая система уравнений [1,2]:

■ Уравнения равновесия (ПДС):

d п d%„

dx d х

xy

xy

dy

d а.

0,

dx

d Sz

dz

+ -

= 0,

Геометрические соотношения:

dy

a ^ az

dU

const.

dx

dUy

dU

dU

xy

dy dx

e

x

e

y

Физические соотношения:

3 ги л

е х =-— (о х--);

2 -3 е

е-=о-(оV --о);

2-

V '“’о;*

3 е. у =—- X . *ху 2 - ^

л/2

3

3

где е. =^~(ех - еу )2 + е2 + е2 + — у2ху - интенсивность деформаций,

1

- =^2\1(-х --У ) + (-у - — ) + (— --х ) + 6хху - интенсивность напРяжений

-0 = 3(- +-V + - ) .

Граничные условия:

угловатость

депланация

о

и

х = х0

х = х,

= р;

0;

о

х

и

х

х = хч

х = х,

:р;

= 0;

и

V

= 0.

х = х2, у = 0

и

V

= 0.

х = х1, V = 0

Для описания поведения материала в пластической зоне используется критерий текучести Мизеса.

Сначала были проведены численные эксперименты образцов дефектов с наваром (см. рис. 1, 2). Полученные результаты оказались не совсем схожи с экспериментальными данными [3], полученными с применением инженерных методик (рис. 3, 4).

Поэтому было принято решение провести расчёт без наваров (рис. 5, 6), чтобы они не оказывали влияния на напряженно-деформированное состояние образца и чтобы получить зависимость ККН только от размера дефекта без влияния наваров.

На рис. 7-10 представлены результаты расчетов ККН в зависимости от величины угловатости для представленных на рис. 3 возможных отношений кольцевых напряжений к пределу текучести. На рис. 11-13 представлены результаты расчетов ККН при депланации для представленных на рис. 4 возможных отношений кольцевых напряжений к пределу текучести. При этом определялось максимальное значение интенсивности напряжений во всей модели, через которое вычислялся ККН. Расчет проводился методом конечных элементов [4] в программном комплексе АКБУБ. Решение упругопластической задачи производилось методом переменных параметров упругости [5].

Рис. 3. Коэффициенты концентрации напряжений, учитывающие эффект стыкового соединения типа угловатость: а - наибольшие кольцевые напряжения на рассчитываемом участке стенки вдали от концентратора напряжений; а0 2 -предел пропорциональности (текучести); / - величина дефекта; 5 - толщина стенки резервуара

а tws оао тз ass &£

Рис. 4. Коэффициенты концентрации напряжений, учитывающие эффект стыкового соединения типа депланация: а - наибольшие кольцевые напряжения на рассчитываемом участке стенки вдали от концентратора напряжений; а0 2 -

предел пропорциональности (текучести); e - смещение кромок сварного шва; б - толщина стенки резервуара

няя няя

Н/2

Рис. 5. Схема дефекта угловатость баз навара

| ♦ рисунок (0,3) —■— с наваром —*—без навара | ♦ рисунок (0,4) —■— с наваром —А—без навара |

Рис. 7. ККН, учитывающие дефект Рис. 8. ККН, учитывающие дефект

стыкового соединения типа стыкового соединения типа

угловатость при о/с02 = 0,3 угловатость при о/о0 2 = 0,4

рисунок (0,5) ■ с наваром без навара I рисунок (0,6) с наваром -Л- без навара

Рис. 9. ККН, учитывающие дефект стыкового соединения типа угловатость при а/ а02 = 0,5

Рис. 10. ККН, учитывающие дефект стыкового соединения типа угловатость при а/а02 = 0,6

| ♦ рисунок (0,7) —н— с наваром —л—без навара |

Рис. 11. ККН, учитывающие дефект стыкового соединения типа депланация при а/а02 = 0,7

| ♦ рисунок (0,8) —■— с наваром —л—без навара |

Рис. 12. ККН, учитывающие дефект стыкового соединения типа депланация при а/а02 = 0,8

—ф—рисунок (0,9) —■— с наваром —А—без навара

Рис. 13. ККН, учитывающие дефект стыкового соединения типа депланация при а/а02 = 0,9

Характер полученных кривых изменения ККН отличен от представленных на рис. 3 и 4. Это объясняется тем, что кривые изменения ККН, представленные на этих рисунках, получены из экспериментальных данных с применением инженерных методик.

Зависимость значения ККН от величины дефекта, полученная в ходе численных экспериментов, качественно совпадает с кривыми натурных экспериментов. Причем в ряде случаев значения ККН из численных экспериментов оказываются ниже кривых, построенных по натурным экспериментам. Это, в свою очередь, позволит повлиять на расчет остаточного ресурса резервуаров и позволит продлить срок их эксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести: учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

2. Демидов С.П. Теория упругости. - М.: Высш. шк., 1972. - 416 с.

3. ПР-07-003-06. Правила технического диагностирования вертикальных цилиндрических стальных резервуаров со сверхнормативными дефектами ООО «Лукойл-Пермь».

4. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. - М: Недра, 1974. - 239 с.

5. Термопрочность деталей машин / под ред. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр. - М.: Машиностроение, 1975. - 455 с.

Получено 01.05.2009.