CC BY
199
УДК 621.642.3
МОДЕРНИЗАЦИЯ УТОРНОГО УЗЛА СТАЛЬНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА
А.М. ФАИРУШИН, к.т.н., доцент кафедры технологии нефтяного аппаратостроения Н.Н. ВАЛЕЕВ, студент А.С. РОМАНЧУК, студент
А.И. БИККИНИН, соискатель кафедры технологии нефтяного аппаратостроения ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). М.З. ЯМИЛЕВ, к.т.н., замначальника технического отдела АО «Транснефть - Урал» (Россия, 450077, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Крупской, д. 10). E-mail: marat-yamilev@mail.ru
В настоящей статье рассматривается новый подход к решению актуальной задачи повышения ресурса работы резервуаров за счет применения несложной технологической операции - обратного выгиба окрайки как способа повышения точности изготовления уторного узла и ресурса его работы. Существующая технология полистовой сборки методом наращивания поясов предусматривает сборку и сварку трех первых поясов и последующую приварку их к окрайке резервуара. При этом предполагается, что давление, создаваемое весом трех поясов, приведет к плотному прилеганию стенки и окрайки: величина зазора между ними будет лежать в допускаемых пределах (0-2 мм). Однако анализ выполненных сборочных работ на реальных объектах показывает, что имеют место участки с отклонением от допускаемых значений зазора. Статистика показывает, что длина таких участков достигает 7% общей площади соприкосновения стенки и окрайки. Другая проблема монтажа резервуаров связана с тем, что при сварке уторного узла наблюдается деформация окрайки, вызванная остаточными сварочными напряжениями, величина деформации в настоящих нормативных документах не регламентируется. Оба указанных дефекта влияют на усталостную долговечность сварной конструкции резервуара. В статье предлагается использовать конструкцию с одним из известных способов снижения сварочных напряжений и деформаций - обратным выгибом окрайки.
Ключевые слова: резервуар, уторный узел, сварочные напряжения, технологический непровар, сварочные деформации, обратный выгиб.
В современной нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности вертикальные цилиндрические резервуары получили большое распространение. Стальные вертикальные резервуары представляют собой сосуды простейшей конструкции различных размеров, предназначенные для накопления, хранения, выполнения технологических операций и учета нефти и нефтепродуктов.
Как подтверждают многочисленные исследования, одним из наиболее нагруженных участков резервуара вследствие его низкой деформационной способности и наличия внутренних сварочных напряжений является уторный узел [1]. Существующая технология полистовой сборки методом наращивания поясов предусматривает сборку и сварку трех первых поясов и последующую приварку их к окрайке резервуара [2]. При этом предполагается, что давление, создаваемое весом трех поясов, приведет к плотному прилеганию стенки и окрайки: величина зазора между ними будет лежать в допускаемых пределах (0-2 мм) [3].
Анализ выполненных сборочных работ на реальных объектах показывает, что имеют место участки с отклонением от допускаемых значений зазора. Статистика показывает, что длина таких участков достигает 7% общей площади соприкосновения стенки и окрайки (рис. 1). Наличие данного зазора обусловлено неточностью при подготовке
поверхностей как бетонного основания, так и кромок стенки резервуара.
Чтобы определить влияние величины зазора на остаточный ресурс резервуара, были изготовлены образцы из стали 09Г2С из листа толщиной 10 мм. Ширина каждого образца составляла 40 мм. Сварка выполнялась в среде углекислого газа в лабораторных условиях проволокой диаметром 1,2 мм марки Св-08Г2С.
Исследования на малоцикловую усталость проводились по ГОСТ 25.502-79 для трех сварных узлов: без зазора, с зазором 1 мм и с зазором 2,5 мм [4]. Испытания проводились на разрывной машине ^БТЯО^ Условия испытания: температура - 20°С, нагрузка - 10 кН, частота - 0,3 Гц. В процессе испытаний трещины, как правило, образуются в зоне термического влияния (рис. 2).
В результате исследований на малоцикловую усталость рабочий ресурс узла без зазора составил в среднем 1759 циклов до образования трещины, образца с зазором 1 мм -1634 цикла, а образца с зазором 2,5 мм - 1350 циклов (рис. 3).
Таким образом, установлено, что величина зазора значительно влияет на малоцикловую прочность уторного узла. При увеличении зазора до 2,5 мм количество циклов до появления трещины в узле снижается на 23,25%.
| Рис. 1. Завышенные зазоры
| Рис. 2. Испытание образцов
| Рис. 3. Зависимость количества циклов от величины зазора
| Рис. 4. Исследование деформации окрайки
Еще одним дефектом уторного узла является деформация (задир) окрайки, вызванная остаточными сварочными напряжениями, величина которой в настоящих нормативных документах не регламентируется. При этом мы понимаем, что вследствие задира площадь давления стенки и крыши резервуара на отмостку уменьшается, в результате чего отмостка резервуара может не выдержать сосредоточенной нагрузки от веса стенки и крыши. Анализ напряженно-деформированного состояния окрайки показывает, что причиной задира окрайки являются сварочные напряжения и деформации.
Для определения влияния остаточных сварочных напряжений на уровень деформаций уторных узлов проведены замеры деформаций на образцах, вырезанных из резервуара, а также на специально сваренных натурных образцах (рис. 4).
Как видно из рис. 4, при горизонтальном положении внутренней части окрайки и вертикальном расположении стенки (отклонение < 1°) наблюдается незначительный задир наружной части окрайки от 4 до 9 градусов. Наличие задира окрайки обусловлено наличием высокого уровня остаточных сварочных напряжений, которые переросли в наблюдаемые деформации.
На сегодняшний день работы по совершенствованию уторного узла ведутся в различных направлениях [5-8]. Авторы работы [5] считают, что оптимальной формой сварного шва в уторном узле является шов, вогнутый вовнутрь. Причем величина вогнутости должна составлять 3-4 мм, величина подреза - не более 0,3 мм. Такой шов гарантирует отсутствие пластических деформаций в зоне уторного сварного соединения в процессе эксплуатации.
В работе [6] исследователи рассматривают величину выступа окрайки как причину больших внутренних напряжений в узле при неравномерной осадке. Они считают, что наименьшие напряжения при неравномерной осадке обеспечивает выступ окрайки 60 мм.
С точки зрения конструирования и технологии изготовления данный узел сложно назвать технологичным, и на сегодняшний день известны работы по изменению конструктивного исполнения данного узла с исключением сварного шва из зоны утора [7, 8].
Актуальность данной работы обусловлена тем, что более 15% дефектов резервуара в период его эксплуатации регистрируются в данном узле, а именно трещины, поры, волнистость окрайки и т.д. (рис. 5 а-в). Одним из взаимосвязанных дефектов, на наш взгляд, является разрушение отмостки, что влечет за собой остановку резервуара на средний либо капитальный ремонт (рис. 5г).
| Рис. 5. Дефекты резервуаров в уторном узле:
а) трещина в сварном шве; б) трещина в окрайке; в] волнистость окрайки; г) разрушение отмостки
| Рис. 6. Окрайка с обратным выгибом:
а) без сохранения выгиба; б) с сохранением выгиба
В представленной нами конструкции предлагается использовать один из известных способов снижения сварочных напряжений и деформаций - обратный выгиб окрайки (рис. 6). Причем нами предлагается два варианта исполнения обратного выгиба. При первом варианте (рис. 6а) величина обратного выгиба окрайки такова, что при выполнении приварки к ней стенки резервуара окрайка в результате пластических деформаций принимает плоскую форму. За счет этого устраняется возможность образования задира вследствие действия остаточных сварочных напряжений, и за счет этого сила давления стенки и крыши на отмостку равномерно распределяется по площади окрайки.
Второй вариант (рис. 6б) предусматривает сохранение незначительного обратного выгиба. При этом в сварном шве уторного узла в процессе его нагружения будут возникать внутренние сжимающие напряжения, которые могут изменять предел выносливости, в несколько раз повышая
его значение даже в присутствии такого концентратора, как конструктивный непровар [9].
Также обратный выгиб окрайки позволит решить проблему, связанную с превышением допустимого зазора: под действием силы собственного веса стенка резервуара продавит обратно выгнутую окрайку, тем самым устранив зазор.
На данную конструкцию нами подана заявка на полезную модель, которая в настоящее время находится на рассмотрении в Федеральном институте по промышленной собственности (ФИПС).
ВЫВОДЫ
В данной работе предложен новый подход к решению актуальной задачи повышения ресурса работы резервуаров за счет применения несложной технологической операции -обратного выгиба окрайки, - которая позволит повысить точность изготовления уторного узла и ресурс его работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скорняков А.А., Зарипов М.З., Ибрагимов И.Г. и др. Исследование конструктивных элементов уторного шва резервуаров / Нефтегазовое дело. 2014. № 12-14. С. 157-161.
2. РД 25.160.10-КТН-050-06 Инструкция по технологии сварки при строительстве и ремонте стальных вертикальных резервуаров. М.: ОАО «АК «Транснефть». 2006.
3. РД 23.020.00-КТН-079-09 Нормы проектирования стальных вертикальных резервуаров для хранения нефти объемом 1000-50 000 куб. м. 2009.
4. ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.
5. Васильев Г.Г., Катанов А.А., Семин Е.Е. Оценка долговечности уторных узлов вертикальных цилиндрических резервуаров в процессе эксплуатации / Журнал нефтегазового строительства. 2012. № 4. С. 36-41.
6. Чепур П.В., Тарасенко А.А., Тарасенко Д.А. Исследование влияния величины выступа окрайки на напряженно-деформированное состояние вертикального стального цилиндрического резервуара при развитии неравномерной осадки наружного контура днища // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-15. С. 3441-3445.
7. Скорняков А.А., Файрушин А.М. Совершенствование конструкции уторного узла стального вертикального резервуара // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 2 (14). С. 32-37.
8. Пат. 2400610Российская Федерация, МПК E 04 H 7/02. Металлический резервуар большого объема для хранения углеводородов / Землянский А.А., Петров В.В., Ращепкина С.А., Мирошкин М.Ю., Валиулин М.Р.; заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет. - № 2009115260/03; заявл. 21.04.09; опубл. 27.09.10, Бюл. № 27. - 6 с.
9. Ачинович Н.Н., Клыков Н.А. Влияние остаточных напряжений на выносливость сварных соединений стали повышенной прочности // Автоматическая сварка. 1973. № 11. С. 6-8.
MODERNIZATION OF RIM WELD OF THE STEEL VERTICAL TANK
FAYRUSHIN A.M., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of oil Apparatus technology VALEEV N.N., Student ROMANCHUK A.S., Student
BIKKININ A.I., Competitor of the Department of oil Apparatus technology
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
YAMILEV M.Z., Cand. Sci. (Tech.), Deputy Head of the Technical Department
Transneft Urals, JSC (10, Krupskoy St., 450077, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). Email: marat-yamilev@mail.ru ABSTRACT
Current technology of sheet by sheet assembly method of building zones (wall rings) provides for the Assembly and welding of the first three zones (rings) and subsequent welding them to annular plates of the tank. It is assumed that the pressure produced by the weight of three zones, will lead to a tight fit of the wall and annular plates: the size of the gap between them will lie in the permissible range (0-2 mm).
However, the analysis of performed Assembly operations on real objects shows that there are areas of deviation from acceptable values.
Another problem of installation of the tanks is connected with the fact that the welding rim weld is annular plates deformation caused by residual welding stresses, the value of which in these guidelines is not regulated. Both of these defects influence on fatigue life of the welded construction of the tank.
In this article we suggest a new approach to solving the urgent problem of increasing the service life of reservoirs through the use of simple technological operations - return of the leg of annular plates as a way to improve the accuracy of manufacturing rim weld and the resource of its work.
Keywords: tank, rim weld, welding stress, incomplete fusion, welding deformations, return curve. REFERENCES
1. Skornyakov A.A., Zaripov M.Z., Ibragimov I.G., Karpov A.L., Verghbickiy K.D., The study of structural elements of the corner weld joint. Neftegazovoye delo, 2014, no 12-14, p. 157-161 (In Russian).
2. РД-25.160.10-КТ^050-06. Instrukciya po tekhnologiisvarkiI remonte stal'nikh vertikal'nikh rezervuarov [RD-25.160.10-KTN-050-06 Instructions for welding technology in the construction and repair of vertical steel tanks. (In Russian).
3. РД-23.020.00-КТ^079-093. Normi proektirovaniya stal'nikh vertikal'nikh rezervuarov dlya khraneniya nefti ob'emom 1000-50000 kubicheskikh metrov [RD-23.020.00-KTN-079-093 Norms of designing vertical steel tanks for oil storage with capacity of 1000-50000 cubic meters]. (In Russian).
4. GOST 25.502-79. Rascheti I ispitaniyanaprochnost v mashinostroeniyi. Metodimekhanicheskikhispitaniymetallov. Metodiispitaniynaustalost' [State Standard 25.502-79. Strength analysis and testing in machine building. Methods of metals mechanical testing. Methods of fatigue testing].
5. Vasilyev G.G., Katanov A.A., Semin E.E. Assessment of the durability of corner weld joint of vertical cylindrical tanks during operation. Zhurnal neftegazovogo stroitel'stva, 2012, no 4, p. 36-41. (In Russian).
6. Chepur P.V., Tarasenko A.A., Trasenko D.A. Study of the impact of the edge ledge size on the stress-strain state of the vertical cylindrical steel tank in the development of differential settlement of the outer contour of the bottom. Foundamentalniye issledovaniya, 2013, no. 10-15. p. 3441-3445. (In Russian).
7. Skornyakov A.A., Fairushin A.M. 7. Improving the construction of the corner weld joint of steel vertical tank. Nauka i tekhnologii tranporta nefti i nefteproduktov, 2014, no. 2(14), p. 32-37. (In Russian).
8. Zemlyanskiy A.A., Petrov V.V., Roshchupkina S.A., Miroshkin M.YU., Valiulin M.R. Metallicheskiy rezervuar bol'shogo ob»yema dlya khraneniya uglevodorodov [Metal reservoir for storing a large amount of hydrocarbons]. Patent RF, no.2400610,2009.
9. Achinovich N.N., Klykov N.A. Effect of residual stress on the endurance of welded joints of high-strength steel. Avtomaticheskaya svarka, 1973, no. 11, pp. 6-8. (In Russian).
