ТРАНСПОРТ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 621.64:539.4
© Г.Х. Самигуллин, А.А. Герасименко, 2015
О влиянии поверхностной трещины на остаточный ресурс резервуара РВС-10000
Г.Х. Самигуллин, к.т.н., А.А. Герасименко, к.т.н, (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»)
Адрес для связи: anastasiya.geras@mail.ru
Ключевые слова: резервуар вертикальный стальной (РВС), поверхностные трещины, метод конечных элементов, коэффициент интенсивности напряжений.
В настоящее время в нефтегазовой отрасли России действуют достаточно жесткие требования к оценке технического состояния стальных вертикальных резервуаров (РВС), эксплуатирующихся сверх нормативного срока. Выявленные в ходе технического диагностирования дефекты резервуаров классифицируются по группам в зависимости от степени опасности и возможности дальнейшей безопасной эксплуатации резервуаров. Поверхностные трещины, вмятины и угловатости определенных размеров относятся к предельным дефектам (РД-16.01-60.30.00-КТН-063-1-05 «Правила технической диагностики резервуаров», РД 153-112-017-97 «Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров», РД-23.020.00.-КТН-296-07 «Руководство по оценке технического состояния резервуаров ОАО «АК «Транснефть») и подлежат немедленному устранению. Существует достаточно примеров эксплуатации резервуаров с трещинами и трещиноподобными дефектами, которые не проявляют тенденции к заметному росту. В работе [1] на примере резервуаров линейной производственно-диспетчерской станции магистральных нефтепроводов ЛПДС «Ленинск» РВС-20000 № 4 и 5 модельными расчетами была обоснована и экспериментально подтверждена возможность безопасной эксплуатации резервуаров с поверхностными трещинами в сварных швах. В работах [3-6] показано, что конструкции, в том числе с поверхностными трещинами, находящимися на стадии стабильного роста, т.е. растущими со скоростью менее 10-3 мм/цикл, можно эксплуатировать при соответствующем мониторинге до планового ремонта, если прочность конструкции с дефектом подтверждена расчетами. Следовательно, не все трещины одинаково опасны и приводят к незамедлительному разрушению объекта. В связи с этим значительный практический интерес представляет исследование скорости и условий развития трещиноподобных дефектов в стенках резервуаров, которое позволяет дифференцировать тре-
Influence of the surface crack on the residual life of vertical cylindrical steel tanks with the capacity of 10000 m3
G.H. Samigullin, A.A. Gerasimenko
(National Mineral Resources University (University of Mines), RF, Saint-Petersburg)
E-mail: anastasiya.geras@mail.ru
Key words: Key words: vertical steel tank, surface cracks, finite element method, stress intensity factor
The aim is to study the influence of the size and location of surface crack in the wall of the tank for prediction the residual life. The nominal stresses were calculated by the finite element method. Exploitation loads were used for this calculation. Areas of maximum stresses were defined, where crack initiation was more probable. Stress intensity factors for cracks with various geometry forms and locations were defined. Dependence of crack growth were determined for ratio 0,25 to 1 of depth to half-length and the depth of crack to the wall thickness from 0,4 to 0,8. Analytical dependences of K-calibration functions were determined for calculation residual life of tank. The resulting data will be used in the prediction of residual life under the condition low-cycle fatigue.
щины по степени опасности и повысить достоверность оценки времени наступления предельного состояния.
Целью данной работы является исследование напряженно-деформированного состояния РВС объемом 10000 м3 с поверхностной трещиной, расположенной на внутренней и внешней сторонах стенки, для оценки сроков его безопасной эксплуатации.
РВС изготовлен из стали 09Г2С по типовому проекту ТП.Г.1.000.4.10314.
Срок безопасной эксплуатации резервуара зависит от напряженно-деформированного состояния в вершине дефекта, которое характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений
ДК; = Y; ДаЛла, (1)
где Yj - К-тарировочная функция; Да = amax - amin; amax, amin - соответственно максимальное и минимальное напряжение цикла; а - характерный размер трещины.
Предполагается, что конструкция становится неработоспособной, если:
- максимальный коэффициент интенсивности напряжений по фронту трещины превышает критическое значение коэффициента интенсивности напряжений Kfc исследуемого материала, что приводит к неконтролируемому лавинообразному росту трещины;
- глубина поверхностной трещины b достигает критического значения bcrit, превышение которого приводит к появлению сквозного дефекта.
Коэффициент интенсивности напряжений рассчитывался по методу конечных элементов. Первоначально определялись номинальные напряжения в стенке резервуара и зоны повышенной концентрации напряжений, где возникновение трещины вероятнее всего (в данном исследовании, это первый пояс области врезки приемо-раз-даточных патрубков). Далее моделировалась небольшая часть стенки резервуара с поверхностной трещиной, и по методике подмоделирования рассчитывался коэффициент интенсивности напряжений нормального отрыва.
Таблица 1
Ь/а ЬД при отношении с/Ь„, равном
0,2 0,4 0,6 0,8
1 0,4 0,4 0,4 0,4
0,6 0,6 0,6 0,6
0,8 0,8 0,8 0,8
0,75 0,4 0,4 0,4 0,4
0,6 0,6 0,6 0,6
0,8 0,8 0,8 0,8
0,25 0,4 0,4 0,4 0,4
0,6 0,6 0,6 0,6
0,8 0,8 0,8 0,8
Примечание. Ь - глубина трещины; а - полудлина трещины; ^ -высота пояса; t - толщина пояса; с - расстояние от дна резервуара до местоположения трещины.
В ходе расчетов проведен поиск устойчивого решения путем вариации размерности конечно-элементной модели и выполнена верификация полученных моделей. Варианты параметров расположения и геометрии трещины при постоянном уровне налива нефтепродукта, равном 95 % высоты стенки, приведены в табл. 1.
Анализ результатов напряженно-деформированного состояния стенки резервуара показал, что на расстоянии от его днища 0,7 - 1,2 м и 2,2 - 2,7 м на равном удалении между патрубками эквивалентные напряжения максимальны (рис. 1). Эти области наиболее чувствительны к возникновению трещиноподобных дефектов.
На рис. 2, а приведено распределение коэффициента интенсивности напряжений для трещин, расположенных на внешней и внутренней сторонах стенки при сДп = 0,2 (с = 796 мм), на рис. 2, б - распределение коэффициента интенсивности напряжений в зависимости от соотношения Ь/ при Ь/а = 0,25.
Коэффициент интенсивности напряжений с увеличением соотношения Ь/а от 0,25 до 1 уменьшается, следовательно, вытянутые трещины, расположенные на внешней стороне стенки резервуара, наиболее опасны. Поскольку критическое значение коэффициента интенсивности напряжений стали 09Г2С равно 27,6 МПа-м0,5 (см. рис. 2, штриховая линия) [7], трещины с соотношением Ь/а = 0,25 при Ь/ = 0,8 независимо от их местоположения недопустимы.
На рис. 3 на примере поверхностной внешней трещины при Ь/ = 0,6 и сДп = 0,2 показано, что в зависимости от соотношения глубины и длины трещины ее рост происходит в разных направлениях. Так при Ь/а = 0,25-0,5 коэффициент интенсивности напряжений максимален в самой глубокой точке фронта трещины, что означает рост трещины в глубину и стремление приблизиться к
Рис. 2. Зависимость коэффициента интенсивности напряжений от соотношения Ь/а при различных значениях Ь/ (а) и от соотношения Ь/ при различных значениях с (б)
Рис. 1. Распределение эквивалентных напряжений по высоте РВС:
I, II - зоны максимальных эквивалентных напряжений
Рис. 3. Зависимость коэффициента интенсивности напряжений от длины фронта трещины
полуокружности. Для трещин с Ь/а = 0,75-1 коэффициент интенсивности напряжений максимален на поверхности, т.е. увеличивается длина трещины.
Для оценки числа циклов до разрушения резервуара с трещиной необходимо использовать аналитическое выражение для коэффициента интенсивности напряжений (1) (К-тарировочную функцию). Данная функция была най-
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
07'2015 129
дена путем нормирования коэффициента интенсивности
напряжений на величину аРЕМ -л/лЬ для внутренней и
внешней трещин (при обработке результатов численного эксперимента использовался метод наименьших квадратов)
Ув
Ъ,
А
внутр
= -0,08509 + 0,6194 • (-) + 0,07869 • (-) -t a
-0,1557 •(Ъ)2 -0,785 • (Ъ)• (Ъ) + t t a
+0,09261 • (Ъ)2 + 0,1596 • (Ъ)2 • (Ъ) +
a t a
+0,3492 • (Ъ) • (Ъ)2 - 0,09764 • (Ъ)3,
Ъ Ъ
Увнеш - -0,01527 + 0,5233 • (Ъ) - 0,1368 • (Ъ) -
ta
(2)
-0,1241 • (Ъ)2 - 0,615 • (Ъ) • (Ъ) + 0,3413 • (Ъ)2 +
+0,2444 • (Ъ)2 • (Ъ) + 0,1727 • (Ъ) • (Ъ)2 - 0,1678 • (Ъ)3.
3)
„ (ь)
г V ь ь
ч , (ь) + 0,1727 - (ь)
а t а а
Расчетное число циклов стабильного роста трещины N при максимальном уровне взлива и исследуемых геометрических размерах трещин рассчитывается по формуле
1 bcrit
N - k-f-
db
v Ъ
10-4
До к
•4лЪ у
\n
K
(4)
где ^ = 3,4 - коэффициент запаса по скорости роста трещины; Ь0 - начальная глубина трещины; Дакц - размах номинальных кольцевых напряжений; К* = 13 МПа-м0,5 -наибольший коэффициент интенсивности напряжений, соответствующий скорости роста трещины (Яа/ЯИ)* = = 10-4 мм/цикл; п = 4,08 - параметр циклической трещи-ностойкости стали.
Остаточный срок службы резервуара (в годах) Т - это отношение расчетного числа циклов N к числу циклов нагружения за последний год N N = 300 циклов). В табл. 2 представлены результаты расчета вероятного срока эксплуатации резервуара с трещиной различной формы, расположенной на расстоянии 796 мм от днища. Следует отметить, что максимальный срок службы 16,9 лет рассчитан для сферической трещины радиусом 4,28 мм при толщине стенки 10,7 мм и уровне налива нефтепродукта 11,5 м.
Таблица 2
b/t Срок службы, годы, при соотношении b/a, равном
0,25 0,5 0,75 1
0,4 8,8 11,6 14,2 16,9
0,6 2,8 5,7 7,3 9,2
Таким образом, если в результате технической диагностики резервуаров обнаружены поверхностные трещины, то необходимо выполнить анализ напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта. Следует определить К-та
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.