Дійсна робота монтажних стиків вертикальних циліндричних резервуарів - Автореферат

Метод будівництва резервуарів з рулонних заготовок, який широко застосовується в Україні і ряді інших країн має ряд переваг у порівнянні з полистовим методом будівництва, такі як індустріальність виготовлення, велика швидкість зведення резервуарів, перенос великого обсягу зварювальних робіт на завод, що дозволяє знизити час і вартість зведення резервуарів. Це негативно впливає на довговічність резервуарів, тому що при багаторазовому наповненні-спорожнюванні резервуарів у стику розвиваються тріщини від втомленості, що можуть привести до руйнування стінки резервуара. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру були виконані в межах держбюджетних тем Д-1-2-99 “Вдосконалення методів розрахунку та проектування конструкцій у вигляді оболонок та пластинок” (державний реєстраційний №0199U000473), Д-2-1-00 “Створення теоретичних та технологічних засад технічної діагностики та прогнозування технічного стану будівельних металевих конструкцій” (державний реєстраційний №0100U000929) і Д-2-4-03 “Розробка теоретичних основ та програмного забезпечення для проектування покриттів у вигляді оболонок довільної форми на підставі принципів будівельної інформатики” (державний реєстраційний №0102U000586) та науково-дослідний роботи 102-1 ПК “Виконати роботу по визначенню технічного стану металевого вальцевого затвору Краматорської руслової греблі на р. Мета досліджень - дослідити вплив геометричних недосконалостей кутового виду на характер напружено-деформованого стану (НДС) у монтажному стику вертикальних циліндричних резервуарів (ВЦР), на основі отриманих результатів розробити вдосконалену аналітичну методику їх урахування в розрахунках на міцність.

Основний зміст дисертації опублікований у 7 роботах у спеціальних друкованих виданнях, затверджених ВАК України, з яких 1 - без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаної літератури (119 найменувань) і трьох додатків. Робота викладена на 169 сторінках машинописного тексту, у тому числі 85 сторінок основного тексту, 12 сторінок списку літератури, 35 повних сторінок з рисунками і таблицями, 37 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянутий предмет досліджень - напружено-деформований стан вертикальних монтажних швів ВЦР, що мають геометричні недосконалості кутового виду при багаторазовому зливі-наливі продукту, сформульовані актуальність, мета і задачі досліджень, наукова новизна роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, структура і обсяг дисертації.

У розділі 1 розглянутий сучасний стан питання в частині експериментальних і теоретичних досліджень НДС вертикальних монтажних швів ВЦР, що мають геометричні недосконалості кутового виду при багаторазовому зливі-наливі продукту.

Розробці та вдосконаленню методу виготовлення резервуарів з рулонних заготовок присвячені роботи Г.В. Раєвського, Б.В. Поповського, В.С. Корнієнко, В.М. Дідковського та ін.

Дослідженню надійності металевих конструкцій з деформаціями і недосконалостями присвячені роботи Є.В. Горохова, В.П. Мущанова, В.П. Корольова, О.В. Шимановського, О.І. Оглоблі та ін.

Дослідженню малоциклової довговічності резервуарів, що мають недосконалості геометричної форми присвячені роботи В.В. Ларіонова, Б.Ф. Бєляєва, В.К. Вострова, Р.Р. Кулахметьєва, Є.А. Єгорова, А.С. Подгорного, П.Г. Почтовика, Г.П. Кандакова, М.І. Лукієнко, С.М. Білецького, Ю.П. Барвінко, В.М. Голінько та ін.

Дослідженню НДС навколошовної зони присвячені роботи Ю.В. Соболєва, О.Д. Колоскова, Ю.П. Барвінко, В.М. Голінько, А.В. Перельмутера та ін.

Дослідженню НДС резервуарів з геометричними недосконалостями присвячені роботи Є.А. Єгорова, Н.М. Писанко, Р.Р. Кулахметьєва, J. Ziolko, E. Supernak, P Malhotra, M Wieland та ін.

Вивченню коефіцієнтів надійності і питанням експлуатаційної надійності тонколистових металевих конструкцій присвячений ряд робіт, у тому числі роботи Є.В. Горохова, В.П. Мущанова, В.П. Корольова, В.В. Губанова та ін.

При вивченні роботи споруджень зазначеного типу найбільш ефективним є комплексний підхід, що включає як експериментальні натурні і лабораторні дослідження на моделях, так і теоретичні дослідження. Установлено, що НДС навколошовної зони вивчений недостатньо, порівняння результатів розрахунку з використанням методик різних авторів дає значні відхилення як значень напружень у зоні стику, так і параметрів довговічності.

Дослідні результати різних авторів мають кількісні розбіжності, а часом і суперечливі, що пояснюється методичними складностями і розбіжностями в проведенні досвідів. Для значної частини експериментальних досліджень НДС навколошовної зони використовувалися зразки у вигляді смужок, що дозволяло вимірити напруження тільки в одному напрямку, однак зробило важчим аналіз і виявлення загальних закономірностей розвитку деформацій, тому що не враховувалися меридіональні напруження.

У роботі наведений порівняльний аналіз результатів, отриманих з використанням існуючих методик (ІЕЗ ім. Патона, О.Д. Колоскова, ЦНДІПСК ім. Н.П. Мельникова)

Однак автори методик розрахунку НДС навколошовної зони не ставили задачу використання їх результатів на стадії проектування у формі методу граничних станів. Відсутній також і коефіцієнт умов роботи gc, який міг би дозволити нормувати граничне напруження в стику стінки резервуара, що має геометричні недосконалості, а, отже, знизити ризик руйнування конструкцій.

Відсутній цей коефіцієнт і у ВБН В 2.2-58.2-94, що є на сьогоднішній день основним нормативним документом на проектування конструкцій резервуарів в Україні.

На основі вивчення стану питання сформульовані основна мета і задачі дослідження.

У другому розділі розглянуто удосконалену методику розрахунку НДС зони стику з недосконалістю у виді кутоватості в детермінованій постановці. Уточнена методика використовує основні положення методики О.Д. Колоскова, але припускає використання ряду умов, що більш точно відповідають дійсним умовам роботи сталі в зоні кутової недосконалості (рис. 1): а) використання замість діаграми Прандтля реальної діаграми деформування сталі, конкретно для кожної марки сталі. б) використання для перебування приведеного моменту інерції пружно-пластичної смуги уточненого алгоритму: ;

де t - товщина стінки резервуара; - рівень напружень у стінці резервуара; b - параметр пластичності;

Остаточне значення B визначається за інтерполяцією, за умови: ;

- відносна висота пружного ядра перерізу ( );

Напруження в зоні стику при цьому визначається за формулою: (1)

Для перевірки правильності теоретичних передумов пропонованої методики були виконані чисельні дослідження НДС навколошовної зони з використанням програмного комплексу SCAD 7.29. Для проведення чисельних досліджень були вивчені розрахункові схеми пяти найбільш часто вживаних на території України типорозмірів резервуарів великих обсягів, що виготовляються методом рулонування (від 10000 до 30000 м3).

Основна частина конструкцій таких резервуарів, зведених на території України виготовлені на Запорізькому ЗМК, тому що потужності Макіївського ЗМК не дозволяють рулонувати сталь товщиною більш 10 мм. Стінки всіх наведених резервуарів були розраховані на міцність відповідно до вимог СНІП II-23-81* і ВБН В 2.2-58.2-94. Результати розрахунку резервуара обємом 30000 представлені на рис. 2 і 3

Отримані результати дозволили установити характер розподілу як у зоні стику, так і в зоні оболонки з ідеальною геометричною формою.

Співставлення результатів, що отримані з використанням методики О.Д. Колоскова, запропонованої методики і результатів чисельних досліджень, дозволяє зробити висновки, що методика О.Д. Колоскова при розрахунку в пружній стадії дає значення, які кілька разів перевищують межу тимчасового опору сталі, що нереально для резервуарів з недосконалостями, що експлуатуються. Облік пружно-пластичної роботи сталі дозволяє одержати в декілька разів менші розрахункові значення локальних напружень, однак і цей підхід дає завищені значення при високому рівні основних кільцевих напружень у стінці. Пропонована методика за рахунок урахування реальної роботи сталі дозволяє отримати результати близькі до границі текучості, при цьому розрахункові напруження не перевищують границі тимчасового опору сталі. Порівняння їх з результатами, отриманими в ході чисельних досліджень показує, що розбіжність не перевищує 17%. Порівняння результатів, що отримані з використанням методик О.Д. Колоскова та розробленої уточненої методики наведено на рис. 4.

Зважаючи на те, що коефіцієнт умов роботи має напівімовірнісну основу, то для його призначення на основі запропонованої детермінованої методики розрахунку параметрів НДС була розроблена її напівімовірнісна інтерпретація, що враховує фактори мінливості товщини, границі текучості і стрілки западання монтажного шва. Запропонований підхід бере за основу розкладання формули (1) у ряд Тейлора. Варіаційними параметрами при цьому виступають товщина, границя текучості сталі і стрілка западання монтажного стику.

У результаті розкладання маємо формулу (2): (2а)

;(2б)

;(2в) де: v - коефіцієнт варіації (приймається рівним 5%) ;

; ; ; ; .

При використанні аналітичних моделей розрахунку напружено-деформованого стану стиків коефіцієнт умов роботи gc пропонується визначати на основі використання методів статистичного моделювання і виконання умови (3): (3)

У третьому розділі наведені результати статистичних досліджень границі текучості, товщини сталі, що знаходиться в тривалій експлуатації, і стрілки западання, проведені для уточнення значень параметрів, що варіюються. Товщина і міцність сталі 09Г2С товщиною 11 і 13 мм і сталі Вст3сп5 товщиною 11 мм, а також величина стрілки западання монтажних швів вимірялася в процесі виконання робіт з технічного огляду резервуарів обємом 5000, 20000 і 30000 м3 Словянської, Углегорської, Запорізької ГРЕС і Зуївської ТЕС. Для аналізу мінливості реальної товщини сталі в конструкції, ушкодженою корозією, а також вивчення зменшення величини границі текучості сталі було проведене порівняння існуючих значень границі текучості і товщини з номінальними, обчислено математичне чекання, стандарт відхилення і дисперсія величин , а також виконаний аналіз на відповідність нормальному закону розподілу за допомогою критерію Пірсона (рис. 5).

Проведені дослідження статистичної мінливості випадкових факторів товщини, границі текучості для ушкодженою корозією сталі, що знаходилася в експлуатації і стрілки западання монтажного шва дозволяють зробити висновки: · Коефіцієнт варіації для розглянутих вибірок не перевищував 6% для границі текучості сталі і 4% для товщини сталі, що дозволяє говорити про їх однорідність.

· Усі розглянуті вибірки при рівні забезпеченості 0,95 задовольняють нормальному закону розподілу за критерієм Пірсона.

Це дозволяє говорити про те, що при перерахунках конструкцій під час реконструкції основні розрахункові передумови методу граничних станів, що застосовуються для нової сталі справедливі також і для сталі, ушкодженою корозією. Для проведення експериментальних досліджень була виготовлена великомасштабна модель зони вертикального монтажного стику ВЦР із геометричною недосконалістю у вигляді кутоватості (западання монтажного шва), показана на рис. 6 і 7.

Відповідно до поставлених задач досліджень були прийняті наступні умови завантаження: · навантаження гідростатичне;

· внутрішній тиск 50, 100 і 200 КПА.

Тиск створювався за допомогою компресора. Деформації вимірялися тензодатчиками з базою 5 і 20 мм.

Шляхом експериментальних досліджень доведено, що при величині кутової недосконалості для сталі С235 і кільцеві напруження в навколошовній зоні досягають 280 - 300 МПА (рис. 8), а меридіональні -100 МПА (рис. 9). При цьому переміщення стику досягають 17 мм (рис. 10). Застосування розробленої методики розрахунку для оцінки НДС моделі дає значення 280 МПА. Використання для оцінки НДС моделі комплексу SCAD дає значення кільцевих напружень в навколошовної зоні 285 МПА (рис. 8), меридіональних 185 МПА.

Для експериментальної перевірки розробленої методики і виключення можливого впливу масштабного фактора було виконано експеримент на натурній конструкції. Для досліджень був використаний мазутний бак №2 Зуївської ТЕС обємом 5000 м3. Зона наклейки тензодатчиків показана на рис. 11. Завантаження виконувалося шляхом наливу мазуту на висоту 2.8 м. Результати приведено на рис. 12 і 13.

У результаті проведення експерименту встановлено, що кільцеві напруження в зоні стику досягають 22...25 МПА при рівні основних кільцевих напружень 12...15 МПА (рис. 12), а значення меридіональних напружень в зоні стику досягає -5…-6 МПА, при рівні основних меридіональних напружень 7…8 МПА (рис. 13). Використання для визначення НДС в навколошовній зоні розробленої методики дає значення локальних кільцевих напружень 19.7 МПА, при рівні кільцевих напружень у стінці 14.5 МПА. Застосування програмного комплексу SCAD дає наступні значення: кільцеві напруження в зоні стику 20 МПА, у стінці ідеальної геометричної форми 15 МПА. Меридіональні напруження в зоні стику -7 МПА, основні меридіональні напруження в стінці 8 МПА

У четвертому розділі запропонована методика нормування коефіцієнта умов роботи , що обумовлений геометричними недосконалостями зони стику, а також уточнені методики розрахунку і проектування резервуарів, які виготовляються методом рулонування і методика перерахунку резервуарів, що знаходяться в експлуатації. У результаті аналізу отриманої залежності (рис. 14) запропоноване значення , що може бути використане при проектуванні новоспоруджуваних резервуарів з використанням методу рулонування. На основі використання результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені пропозиції по нормуванню величин кутових недосконалостей для стадій виготовлення і експлуатації.

На стадії виготовлення максимально припустимі кутові деформації заводських зварних стиків полотнищ стінки запропоновано обмежити наступними значеннями, що наведені в таблиці 1, і використаними при розробці технічних умов ТУ В 28.1-02070795-001-2001 “Конструкції будівельні сталеві резервуарів вертикальних циліндричних для нафти і нафтопродуктів обємом від 100 до 20000 м3”.

Таблиця 1. Максимально припустимі кутові деформації стиків

Ry Товщина, мм Максимально припустиме значення кутової деформації стику

Менш 300 МПА 5…8 3?

9…10 3,5?

11…12 4?

13…15 4.5?

Більш 300 МПА 8…10 3?

11…12 3,5?

13…16 4?

Для резервуарів малих обємів (100 - 700 м3), а також для верхніх поясів резервуарів великих обємів, товщина стінки яких приймається конструктивно, деформації стиків не повинні перевищувати 6? при Ry300 МПА.

Для резервуарів, що знаходяться в експлуатації, виконано дослідження, що дозволяють уточнити величини стрілок западання, що визначаються у ході експрес-контролю.

Після монтажу величини стрілок западання монтажного стику не повинні перевищувати наведені у таблиці 2.

При перерахунку конструкцій резервуарів, що експлуатуються, запропоноване використання методики уточненого визначення параметрів НДС резервуара, для якої передбачається використання графіка (рис. 15.), що дозволяє врахувати фактичний перерозподіл величин напружень на розглянутій ділянці.

Таблиця 2. Максимально припустимі величини стрілок западання монтажних стиків

Кількість циклів зливу-наливу на рік Менш 10 10…20 20…50 50…100 Більш 100

Товщина сталі t, мм 5…16 5…16 5…16 5…16 5…10 11…16

Максимально припустиме значення стрілки западання стику Ry менш 300 МПА 3t 2t 1.5t t 0.5t не допускається

Ry більш 300 МПА 2.75t 1.75t 1.25t 0.75t 0.25t не допускається

При розрахунку резервуара, який існує, замість величини Ry звичайно використовують величину границі текучості , що узята за даними сертифіката або за результатами іспиту (неруйнівними методами або шляхом відбору зразків).

При цьому повинні виконаються наступні умови: 1) - перевірка міцності (несучої здатності);

2) - перевірка за придатністю до нормальної експлуатації;

де: k - коефіцієнт запасу несучої здатності, що обумовлений співвідношенням (відповідно до рис. 15.)

- припустиме значення стрілки западання що прийняте відповідно до даних таблиці 2.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На основі використання реальної діаграми деформування сталі розроблено уточнені методики визначення локальних напружень, обумовлених геометричними кутовими недосконалостями монтажних стиків ВЦР, у імовірнісному і детермінованому виді.

2. Для елементів, які знаходяться в тривалій експлуатації виконано статистичні дослідження мінливості випадкових параметрів товщини, границі текучості сталі, стрілки западання монтажних стиків ВЦР, що дозволили установити їх відповідність нормальному закону розподілу.

3. На основі результатів чисельних і експериментальних досліджень, проведених на великомасштабній моделі і реальній конструкції, уточнені параметри НДС стінки резервуара, що відповідає яким співвідношення замість по існуючим методиках розрахунку за I граничним станом. Для зони стику це співвідношення знаходиться в межах .

4. Проведені експериментальні і чисельні дослідження підтвердили точність розроблених методик розрахунку НДС стику ВЦР, погрішність яких знаходиться в межах 5%, для рівня напружень і в межах 20% для .

5. Для стінок проектованих ВЦР, що виготовляються методом рулонування, при їх розрахунку на міцність запропоноване значення коефіцієнта умов роботи монтажного стику , що враховує його кутової геометричної недосконалості.

6. Для резервуарів, що знаходяться в експлуатації, на підставі даних про характер розподілу кільцевих і меридіональних напружень запропонована уточнена методика розрахунку стінок ВЦР за I граничним станом і уточнені значення гранично припустимої стріли западання монтажного шва за II граничним станом.

Результати роботи використані при розробці технічних умов ТУ У В.2.6-28.1-02070795-001-2002 “Конструкції будівельні сталеві резервуарів вертикальних циліндричних для нафти і нафтопродуктів обємом від 100 до 20000 м3”, при виконанні робіт з оцінки технічного стану мазутного бака №2 Зуївської ТЕС, а також увійшли до складу “Посібника…”до нової редакції ДБН “Сталеві конструкції. Норми проектування”.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ: 1. Мущанов В.П., Кулик О.О. Пружно-пластичний розрахунок монтажних стиків вертикальних циліндричних резервуарів з локальними недосконалостями // Наукові праці семінару “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення”, 22 - 24 червня 2000 р. Тематичний вип. зб. №59 - Київ: Транспортна Академія України, 2000. - С. 160 - 163.

2. Мущанов В.П., Кулик О.О. Дослідження точності рішення задачі НДС зони монтажного шва вертикальних циліндричних резервуарів з локальними геометричними недосконалостями // VII Українська науково-технічна конференція “Металеві конструкції”, 2 - 6 жовтня 2000 р. Зб. доповідей. - Дніпропетровськ, 2000. - С. 78 - 80.

3. Мущанов В.П., Кулик О.О. Уточнена методика розрахунку напружено-деформованого стану монтажних стиків вертикальних циліндричних резервуарів // Вісник ДОНДАБА. Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Вип. 2000-1(21), - Макіївка, ДОНДАБА, 2000. - С. 121 - 122.

4. Мущанов В.П., Кулик О.О., Циплухін О.Г. Випробовування масштабної моделі зони монтажного звареного шва вертикальних циліндричних резервуарів з локальними геометричними недосконалостями // Вісник ДОНДАБА. - Вип. 2001-3(28), т. 1. - Макіївка, ДОНДАБА, 2001. - С. 53-55.

5. Кулик О.О. Випробовування масштабної моделі вертикального монтажного стику ВЦР із кутовою недосконалістю // Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини. Одеса / Зб. наукових праць - Одеса, “Внешрекламсервис” 2003.- С. 154 - 159.

6. Мущанов В.П., Кулик О.О. Дослідження напружено-деформованого стану стиків вертикальних циліндричних резервуарів з кутовими геометричними недосконалостями // Вісник ДОНДАБА. Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Вип. 2003-2(39), т.1. - Макіївка, ДОНДАБА, 2003. - С. 10 - 15.

7. Мущанов В.П., Кулик О.О., Циплухін О.Г. Експериментальне дослідження НДС вертикальних монтажних стиків ВЦР з кутовою недосконалістю // Вісник ДОНДАБА. Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Вип. 2003-2(39), т.2. Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології. - Макіївка, ДОНДАБА, 2003. - С. 160 - 163.

Особистий внесок автора в цих публікаціях: · Розглянуто розроблену удосконалену методику розрахунку НДС зони вертикального монтажного стику в детермінованій і імовірнісній постановці [1, 2, 3, 6].

· Викладено результати випробовування великомасштабної моделі зони вертикального монтажного шва ВЦР і виконано систематизацію і аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень [3, 4, 5].

· Проаналізовано результати чисельних досліджень НДС зони стику з недосконалостями кутового типу з використанням програмного комплексу SCAD 7.29 [4, 5, 6].

· Виконано експериментальні дослідження параметрів НДС навколошовної зони на конструкціях реального резервуара [7].

· Запропоновано схему експрес-контролю монтажних стиків при проведенні робіт з технічного огляду [7].