Прочность и долговечность стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами стенки в виде вмятин
УДК 624.953:69.059.4 На правах рукописи
камбаров медетбек абилдаевич
Прочность и долговечность стальных вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами стенки в виде вмятин
01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан.
Научные руководители: доктор технических наук, профессор
Айнабеков А.И.
доктор технических наук
Сулейменов У.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Мырхалыков Ж.У.
кандидат технических наук
Бекмуратов М.М.
Ведущая организация: Казахстанско-Британский технический
университет
Защита состоится 01 июля 2010г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О.Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012 г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5.
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, каб. 215.
Автореферат разослан « » мая 2010г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 14.23.01
доктор технических наук, профессор: Волненко А.А.
Введение
Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию прочности и долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами стенки в виде вмятин. Основу исследования составляют теоретическая и экспериментальная оценка напряженно-деформированного состояния и коэффициентов концентрации в зоне вмятины стенки резервуара, изучение малоцикловой усталости, оценка ресурса резервуара с учетом особенностей распределении напряжений в зоне вмятины, а также нормирование допускаемых геометрических размеров вмятины.
Актуальность темы. Несмотря на постоянное совершенствование технологии изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических резервуаров, полного учета в расчетах эксплуатационных нагрузок, встречающихся геометрических несовершенств формы, оказывающих существенное влияние на напряженно-деформированное состояние резервуарной конструкции и приводящих к концентрации напряжений не производится.
Многолетний опыт эксплуатации вертикальных цилиндрических резервуаров свидетельствует о том, что наиболее вероятными местами зарождения и развития разрушения являются концентраторы напряжений: дефекты формы, сварные швы и соединения, врезки и проемы, механические повреждения, геометрические несовершенства. Одним из наиболее опасных, непредсказуемых и малоизученных зон, с точки зрения концентрации напряжений для вертикальных цилиндрических резервуаров, являются зоны вмятин.
Вместе с тем на сегодня нет комплексности и системности в определении концентраций напряжений в зоне вмятин, в учете переменности нагрузки при оценке прочности и долговечности резервуаров. Действующие в настоящее время нормативные документы на строительство и эксплуатацию вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов не содержат обоснованных методов и методик учета особенностей напряженно-деформированного состояния в зоне вмятин в прочностных расчетах и расчетах на долговечность резервуаров, что требует скорейшей их разработки и внедрения.
В то же время характер повреждений резервуаров свидетельствует о необходимости проведения расчета на повторно-переменную нагрузку резервуара в целом, а также элементов конструкций с концентраторами напряжений в виде вмятин. Хотя методика расчета на малоцикловую усталость сосудов и аппаратов, работающих под давлением, как на стадии возникновения трещины, так и при условии существования ее в конструкции достаточно полно разработана, однако для применения в расчетах вертикальных цилиндрических резервуаров требует совершенствования.
В связи с этим, диссертационная тема, направленная на изучение особенностей напряженно-деформированного состояния зоны вмятины в стенке цилиндрических резервуаров, а также на оценку прочности и долговечности с учетом повторно - переменности нагрузки является актуальной задачей.
Целью работы является изучение особенностей распределения напряжений в зоне вмятины стенки вертикальных цилиндрических резервуаров и разработка научно обоснованных методик их учета в расчетах прочности и долговечности.
В соответствии с целью работы были поставлены и решались следующие
задачи:
-на основе анализа литературных данных изучение причин разрушения вертикальных цилиндрических резервуаров, вызванных концентрацией напряжений, характера геометрических несовершенств в виде вмятин, существующих методов расчета прочности и долговечности, основных положений существующих норм проектирования резервуара;
-разработка методики проведения экспериментальных исследований на моделях фрагмента стенки с вмятиной и конструкций натурного резервуара;
-экспериментальное исследование распределения напряжений в зоне вмятины стенки резервуара на крупномасштабной модели фрагмента стенки с вмятиной различных геометрических размеров и форм, оценка напряженно-деформированного состояния стенки в зоне дефекта;
-проведение испытаний конструкций натурного резервуара с локальным несовершенством стенки в виде вмятин и оценка распределения напряжений в зоне дефекта стенки с учетом их геометрических размеров;
-проведение теоретических исследований напряженно-деформированного состояния стенки резервуара и разработка методики расчета прочности с учетом концентрации напряжений в зоне вмятины и геометрических размеров дефекта;
-совершенствование методики оценки малоцикловой усталости резервуаров с вмятинами в стенке из условия не возникновения трещины в конструкции и разработка методики нормирования допускаемых геометрических размеров вмятины.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
-изучены особенности деформации стенки резервуара в зоне вмятины, оценено влияние геометрических размеров и формы вмятины на распределение напряжений в зоне дефекта и получены зависимости коэффициента концентраций напряжений от их геометрических размеров;
-предложено уравнение для определения концентрации напряжений в зоне вмятины в зависимости от их геометрических размеров и на основе этого уравнения, построены номограммы определения концентрации напряжений в зоне дефекта;
-предложены уравнения для расчета прочности стенки резервуаров с вмятинами, основанные на методе предельных состояний;
-усовершенствована методика расчета малоцикловой усталости резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне вмятин;
-на основе методики расчета малоцикловой усталости резервуаров предложена методика нормирования предельных размеров вмятины.
Научные положения, выносимые на защиту:
-экспериментально установленные характер распределения напряжений и зависимости коэффициента концентраций напряжений в зоне вмятины стенки от их геометрических размеров и формы;
-формулы для расчета прочности стенки резервуаров с дефектами формы в виде вмятин;
-формула для определения коэффициентов концентрации напряжений в зоне вмятины в зависимости от их геометрических размеров и построенные на ее основе номограммы оценки концентрации напряжений в зоне дефекта;
-методика расчета малоцикловой усталости резервуара с несовершенством формы стенки в виде вмятины;
-методика нормирования предельных геометрических размеров вмятин, основанная на методике расчета малоцикловой усталости резервуаров с несовершенствами формы.
Практическая значимость работы заключается в предложенной методике расчета стенки резервуара с геометрическим несовершенством в виде вмятин, позволяющей учесть концентрацию напряжений в зоне дефекта от их геометрических размеров.
Разработанные инженерные методики расчета прочности, малоцикловой усталости резервуаров с несовершенством стенки в виде вмятин, методика определения предельных геометрических размеров вмятины и их нормирования позволяют достоверно оценить действительную работу резервуаров, их прочность и долговечность и могут быть применены при проектировании новых, усилении и ремонте эксплуатируемых резервуаров.
Методика нормирования геометрических размеров вмятин в стенке резервуара может быть использована при разработке и совершенствовании норм проектирования вертикальных цилиндрических резервуаров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследования обусловлена:
-анализом и обобщением литературных данных по изучаемой проблеме, корректной постановкой цели и задач исследования;
-применением стандартных и апробированных методик испытаний моделей, смоделированных на основе классической теории механического подобия и моделирования механических состояний и процессов, а также натурных конструкций;
-использованием фундаментальных законов механики, теории упругости и пластичности, динамики конструкций;
-сопоставлением полученных результатов с результатами теоретических и экспериментальных исследований других исследователей;
-достаточной степенью апробации результатов работы и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями механики разрушения.
Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в ТОО Инжиниринговая компания «Казгипронефтетранс» (г.Алматы), ЗАО «ПромНефтеСинтез» (г.Самара,Россия), ТОО «Шымкент Октан» (г. Шымкент) с общим экономическим эффектом в сумме 4,95 млн. тенге и применяются при проектировании и строительстве вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Методики инженерного расчета прочности и долговечности, нормирования геометрических размеров несовершенства стенки резервуара переданы в ТОО «Юсталькон» для использования в технических расчетах и прогнозировании остаточного ресурса и долговечности резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Международных научных и научно-практических конференциях: «Архитектура и строительство Казахстана в новом тысячелетии» (г. Алматы, 2008г); «Ауезовские чтения-8: Научное достижения -основа культурного и экономического развития цивилизации» (г.Шымкент, 2009г); «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии» (г. Алматы, 2010г); «Механика и строительство транспортных сооружений» (г. Алматы, 2010г); «Управление качеством в современной организации» (г.Пенза, Россия, 2010г); «Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии» (г. Алматы, 2010г).
Основная часть
Во введении дана оценка современного состояния вопросов проектирования и расчета вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами формы, основание и исходные данные для разработки темы, обосновывается необходимость проведения настоящих исследований и актуальность темы работы, сведения о метрологическом обеспечении диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна, практическая значимость и степень реализации результатов работы, обоснованность и достоверность научных положении и выводов, выносимых на защиту.
В первом разделе работы произведен обзор современного состояния вопроса проектирования и расчета вертикальных цилиндрических резервуаров с местными дефектами формы стенки, дан анализ факторов, вызывающих местные дефекты формы стенки и их разновидности и нормативной базы по обеспечению прочности, долговечности и безопасности резервуаров. Представлены результаты обзора работ, посвященных исследованиям напряженно-деформированного состояния зоны местных дефектов формы стенки резервуара и их прочности при малоцикловом нагружении.
Анализ литературных источников свидетельствует о росте числа аварий и внештатных ситуаций, связанных с резервуарами, среди которых в группу «рисковых» сведены дефекты формы стенки: вмятины, выпучины и хлопуны на стенке резервуара, которые приводят к изменению поля напряженности и значительным концентрациям напряжений.
Показано, что отечественные и зарубежные нормативные документы на проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию резервуаров не содержат научно обоснованных методик расчета их прочности и долговечности с учетом концентрации напряжений в зоне вмятин, не регламентируют допуски на их геометрические размеры.
Указано, что в научной литературе мало данных о концентрации напряжений в стенке резервуара, вызванного локальными несовершенствами формы в виде вмятин. Отмечается необходимость установления зависимостей концентраций напряжений от геометрических размеров и формы вмятины, места ее расположения и характеристик материала стенки.
Установлено, что малоцикловая усталость резервуаров с вмятинами в стенке резервуара не изучена, требует совершенствования методики расчета малоцикловой усталости с учетом геометрических размеров вмятин.
По результатам проведенного обзора определена цель и поставлены задачи исследования.
Во втором разделе описана методика проведения экспериментальных исследований по оценке влияния вмятин на напряженно-деформированное состояние стенки резервуара в зоне дефекта на моделях и натурной конструкции резервуара.
Учитывая особенности работы тонколистовых конструкций, техническую возможность изготовления модели, а также с учетом возможности приложения нагрузки и измерения экспериментальных параметров, в исследованиях принят масштаб 1:10 к натурной конструкции вертикального цилиндрического резервуара объемом 5000м3 согласно ТП-704-1-169.84.
Моделирование геометрических размеров и эксплутационной нагрузки произведено путем масштабного преобразования уравнений безмоментной теории оболочек, на основе двухмасштабного моделирования, с использованием метода анализа размерностей физических величин. Установлены критерии подобия модели и натурного резервуара, а также коэффициенты подобия для усилий, напряжений, перемещений и поверхностной нагрузки.
Габаритные размеры модели составляют 1200x1000x16мм. Каркас модели сформирован из швеллера №16. Стенка модели изготовлена из листов стали ВСт3сп толщиной 1,0мм, которая сварена электросваркой на каркас, химический состав материала модели определен газообъемным методом по ГОСТ 27069-86, а механические характеристики определены стандартными испытаниями образцов по ГОСТ 1497-84.
Общий вид моделей представлен на рисунке 1.
Рисунок 1- Общий вид моделей фрагмента стенки резервуара с вмятинами
Стенка модели свальцована под радиус 2280мм. С тыльной и лицевой сторон стенки модели смоделированы вмятины сферической и эллипсовидной форм, геометрические размеры которых представлены в таблице 1.
Таблица 1- Форма и геометрические размеры вмятин на стенке модели
| Модель | Поверх- ность модели | Форма вмятины | Радиус вмятины, мм | Глубина вмятины, мм | ||
| малый | большой | начальная | установивщаяся | |||
| М 1 | А | сферическая | 252 | - | 4,32 | 3,68 |
| Б | эллипсовидная | 185 | 820 | 3,53 | 2,71 | |
| М 2 | А | эллипсовидная | 175 | 830 | 4,86 | 3,73 |
| Б | эллипсовидная | 190 | 640 | 2,84 | 1,84 | |
Нагрузка от внутреннего давления имитировалась воздухом, нагнетаемым в оболочку компрессором ВУ 3/8, который позволяет поддерживать давление в 8 МПа. Давление внутри испытуемой модели контролировалось с помощью пружинного манометра МВТП – 160 с ценой деления 0,02 МПа.
Напряженное состояние стенки модели в зоне вмятин определялось тензометрическим методом измерения относительных деформаций. В качестве первичных преобразователей при измерении относительных деформаций были применены одноэлементные, петлевые тензорезисторы на бумажной основе базой 10 и 20мм типа ПКПБ. Регистрирующей аппаратурой служил автоматический измеритель деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП-1, а также тензометрический комплекс ЦТМ-5.
Тензорезисторы размещались таким образом, чтобы давалась возможность измерения кольцевых и продольных относительных деформаций по контуру вмятины, в местах максимальной глубины выгиба и резкого изменения формы стенки.
Для измерения перемещений стенки в зоне дефекта стенки в виде вмятины в характерных точках стенки устанавливались индикаторы перемещений ИЧ-04 с ценой деления 0,01мм.
Производилось ступенчатое нагружение с шагом 2КПа. На каждой ступени производились измерения относительных деформаций в характерных точках стенки. По измеренным в процессе эксперимента относительным деформациям производилась оценка напряженно-деформированного состояния стенки модели в зоне мятины. По отношению напряжений в бездефектной зоне стенки модели к максимальным, локальным напряжениям в характерных точках непосредственно в зоне вмятины определялись коэффициенты концентрации напряжений.
Полученные результаты испытаний обрабатывались с соблюдением процедур и методов решения практических задач статистики, когда измеряемые величины являются случайными и распределены по нормальному закону, в соответствии с ГОСТ Р 50779.21-2004.
Натурные испытания были проведены на базе резервуарного парка для нефтепродуктов в ТОО «RTS Oil» на конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров с вмятинами объемом 2 000м3.
Испытуемый резервуар изготовлен методом рулонирования из двух рулонных заготовок по типовому проекту ТП 704-1-167.84. Диаметр резервуара 15180мм, высота резервуара 11920мм. Стенка собрана из 8 поясов. Толщина стенки I-II-III поясов – 6мм, IV-VIII поясов – 5мм. Стенка резервуара изготовлена из стали 09Г2С, с расчетным сопротивлением 
, пределом временного сопротивления - 
.
В третьем разделе работы обсуждаются результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния зоны вмятины на моделях и натурной конструкции резервуара.
Результаты измерения глубины вмятины при исходном нагружении и разгрузке от номинальных напряжений в стенке модели приведены в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2 – Изменение значений глубины 
центра вмятины в зависимости от номинальных напряжений 
Наибольшие перемещения стенки наблюдались в зоне центра вмятины, наименьшие ближе к границам вмятины. При нагружении происходит необратимое уменьшение глубины вмятины, зависящее от прикладываемой нагрузки.
Установлено, что экспериментальная зависимость остаточной глубины в центре вмятины 
от номинальных напряжений достаточно точно описывается формулой
. (1)
В процессе испытаний на моделях М1-А и М2-А было зарегистрировано явление защелкивания (хлопка) стенки в зоне вмятины. В модели М1-А со сферической вмятиной глубиной 4,32мм, в соответствии с рисунком 1, явление защелкивания стенки в зоне вмятины наблюдалось при внутреннем давлении 28 кПа. При этом глубина вмятины уменьшилась до 2,06мм. В модели М2-А с эллипсовидной вмятиной глубиной 4,86мм указанное явление наблюдалось при давлении 26 кПа. Начальная глубина вмятины уменьшилась до 2,34мм.
Номинальные кольцевые и продольные напряжения, измеренные на удалении от вмятин, составили в модели М1-А при давлении 10кПа -11,8МПа и 5,52МПа, соответственно, при давлении 30кПа - 35,61МПа и 17,21МПа, в модели М1-Б при давлении 10кПа -11,92МПа и 5,83МПа, при давлении 30кПа-35,36МПа и 17,08МПа, в модели М2-А при давлении 10кПа-12,25МПа и 5,99МПа, при давлении 30 кПа- 34,91МПа и 16,97МПа, соответственно.
Анализ результатов исследования показал, что местный дефект в виде вмятины на стенке модели, нагруженной внутренним давлением является местным концентратором напряжений. По границам дефекта с наружной стороны вмятины обнаружена зона разгрузки, где местные напряжения ниже номинальных. В модели М1-А это снижение составило до 1,2 раза, в модели М1-Б – до 1,06 раза, в модели М2-А – до 1,15 раза. Замечено, что чем больше глубина вмятины и меньше в размерах эта разгрузка будет большей. На удалении от границ зоны вмятины кольцевые и продольные напряжения в стенке модели приближаются к номинальным мембранным напряжениям, что косвенно подтверждает правильность предположений, положенных в основу исследования.
Во всех моделях наибольшие напряжения наблюдались в центре вмятины, причем кольцевые напряжения в два раза превышали продольные. С ростом давления в модели концентрация кольцевых напряжений в зоне центра вмятины перераспределялись к граничным зонам вмятины, что объясняется выгибом и уменьшением глубины вмятины с ростом нагрузки.
Кривые эпюр кольцевых напряжений, в соответствии с рисунком 3, указывают на характерную концентрацию напряжений, которая наблюдалась в центральной зоне вмятины.
Рисунок 3 – Эпюры кольцевых напряжений в зоне вмятины
Экспериментальная оценка напряженного состояния зоны вмятины указывает на определяющее влияние на концентрацию напряжений в зоне вмятины ее геометрических размеров, особенно глубины.
В соответствии с рисунком 4, представлена зависимость коэффициента концентрации напряжений от внутреннего давления в модели.
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента концентрации напряжений в зоне вмятины от внутреннего давления в модели
Анализ графиков рисунка 4, показывает, что с ростом давления коэффициент концентрации напряжений в центре вмятины снижается.
По результатам проведенного натурного эксперимента были оценены максимальные кольцевые напряжения в характерных точках зоны вмятины, которые в сравнении с расчетными представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Напряжения в зоне вмятины стенки резервуара объемом 2000м3
| № резер- вуара | объем резер вуара м3 | форма вмятины | напряжения, мПа | Коэффициент концентрации напряжений,  | ||||
| номинальные | максимальные | |||||||
| расчет | экспер. | расчет | экспер. | расчет | экспер. | |||
| 5 | 2000 | сферическая | 136 | 132 | 335 | 292 | 2,46 | 2,21 |
| эллипсовидная | 114 | 126 | 533 | 502 | 4,68 | 3,99 | ||
| 7 | 2000 | ромбовидная | 146 | 132 | 318 | 265 | 2,18 | 2,01 |
Наибольшая концентрация напряжения наблюдалась в центральной зоне вмятины и при проектном уровне заполнения резервуара составила для сферической вмятины 2,21, эллипсовидной вмятины – 3,99 и для ромбовидной вмятины -2,01.
В четвертом разделе работы обсуждаются результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния и малоцикловой усталости резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне вмятин
Основная эмпирическая формула для определения коэффициентов концентрации напряжений получена выравниванием отдельных, полученных экспериментальными испытаниями модели и натурной резервуарной конструкции, данных с поверхностями заданного вида.
Используя зависимости коэффициента концентрации напряжений в зоне вмятины от отношения глубины вмятины 
к толщине стенки 
при соответствующих значениях параметра 
, определенных модельными и натурными испытаниями резервуаров объемом 2000м3 коэффициент концентрации напряжений в интервале 
, 
предложено аппроксимировать степенной зависимостью вида:
. (2)
Подбор числовых значений коэффициентов 
и 
произведен методом наименьших квадратов. Получены следующие их значения:
, (3)
. (4)
На основе формул (2), (3) и (4) построены номограммы для определения концентрации напряжений от геометрических размеров вмятины, радиуса и толщины стенки резервуара в соответствии с рисунком 5.
Учитывая разнообразие форм и геометрических размеров вмятин, решен вопрос об идеализации формы вмятин в практических расчетах. В случаях, если о геометрии вмятины ничего кроме основных размеров неизвестно, или форма вмятины имеет сложную геометрию, предложено использовать сферическую схему идеализации формы вмятины.
Рисунок 5 - Номограмма определения коэффициента концентрации напряжений от геометрических размеров вмятины
С учетом того, что вмятина на стенке резервуара по высоте может растянуться на несколько метров, гидростатическое давление нарастает с глубиной и наиболее нагруженная зона будет локализована в нижней точке контура вмятины, предложено прочность стенки резервуара определять по формуле
(5)
На основе формул оценки долговечности сосудов и аппаратов, работающих под высоким внутренним давлением, проведены расчеты малоцикловой усталости стенок резервуаров с вмятинами. Для определения расчетного числа циклов 
до зарождения усталостной трещины с учетом коэффициентов запаса 
и 
использованы выражения:
(6)
. (7)
Расчетное число циклов зарождения усталостной трещины определены по минимальному значению, полученному по одному из уравнений (6) и (7).
На основе методики расчета малоцикловой усталости резервуаров разработаны методики и алгоритмы нормирования геометрических размеров вмятины. Алгоритмы нормирования геометрических размеров вмятины апробированы на примерах расчета резервуаров различных объемов.
Результаты диссертационного исследования внедрены в ТОО Инжиниринговая компания «Казгипронефтетранс» (г.Алматы), ЗАО «ПромНефтеСинтез» (г.Самара, Россия), ТОО «Шымкент Октан» (г.Шымкент) с общим экономическим эффектом в сумме 4,95 млн. тенге и применяются при проектировании и строительстве вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационного исследования
1. Испытаниями моделей фрагмента стенки с вмятинами и конструкций вертикального цилиндрического резервуара установлено, что в процессе их нагружения глубина вмятины уменьшается за счет «выправления» вмятин. Местные несовершенства стенки в виде вмятин приводят к значительным концентрациям напряжений в зоне дефекта, максимальные значения которых, независимо от формы вмятины, наблюдаются в центральной зоне вмятины и зависят от их геометрических размеров. В наружной от контурной линии вмятины зоне обнаружены зоны разряжения, в которых напряжения в 1.1…1.2 раза меньше номинальных.
2. Испытаниями моделей фрагмента стенки резервуара с вмятиной значительных геометрических размеров и небольших толщин обнаружен эффект «выщелкивания» стенки в зоне вмятины, в результате которой резко снижается глубина вмятины, а максимальные напряжения в ее центральной зоне распределяются в контурные зоны. При этом значительно снижается концентрация напряжений в центральной зоне вмятины и наблюдается увеличение в ее контурных зонах.
3. На основе результатов испытании моделей фрагмента стенки с вмятиной и конструкций натурного резервуара установлены зависимости коэффициента концентрации напряжений от глубины и радиуса вмятины, а также установлена зависимость остаточной глубины вмятины от отношения номинальных напряжений к максимальной.
4. Показано, что вмятины круглых, эллипсовидных и ромбовидных форм могут быть идеализированы в сферическую форму, основными геометрическими параметрам которых являются глубина и радиус вмятины. Зависимость концентраций напряжений от геометрических размеров вмятины аппроксимирована степенной функции и получено выражение для определения максимального коэффициента концентрации напряжений в зоне вмятины.
5. На основе полученной зависимости концентрации напряжений от геометрических размеров вмятины с учетом основных размеров резервуара проведены расчеты и построены номограммы для определения коэффициентов концентрации напряжений от глубины и радиуса вмятины, радиуса и толщины стенки резервуара.
6. На основе формул расчета долговечности сосудов и аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, усовершенствована методика расчета вертикальных цилиндрических резервуаров с местными дефектами в виде вмятин на малоцикловую усталость.
7. На основе усовершенствованной методики расчета малоцикловой усталости резервуаров разработана методика и составлен алгоритм нормирования геометрических размеров вмятин.
Оценка полноты решений поставленных задач. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований получены результаты, которые позволили обосновать необходимость учета в расчетах и проектирований резервуаров концентрацию напряжений в зоне вмятин. Предложены методики и рекомендации, которые позволяют более достоверно оценить напряженное состояние стенки в зоне дефекта, обеспечить прочность и долговечность резервуара.
Поставленные перед работой задачи решены, цель работы достигнута. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, их оценка, апробация и внедрение в производство подтверждают обоснованность и полноту решений поставленных перед работой задач.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Методики оценки напряженно-деформированного состояния стенки в зоне вмятины, расчета прочности и устойчивости, малоцикловой усталости, нормирования геометрических размеров вмятины вертикального цилиндрического резервуара могут быть рекомендованы научным и инженерно-техническим работникам различных отраслей промышленности, проектным и научно-исследовательским институтам для совершенствования методов расчета и проектирования вертикальных цилиндрических резервуаров.
Исходными данными по конкретному использованию результатов работы являются физико-механические характеристики материала конструкций, геометрические размеры резервуара, геометрические параметры вмятин, эксплуатационные нагрузки и режим нагружения резервуара.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты диссертационного исследования внедрены в ТОО ИК «Казгипронефтетранс» (г.Алматы), ЗАО «ПромНефтеСинтез» (г.Самара, Россия), ТОО «Шымкент Октан» (г.Шымкент) с общим экономическим эффектом в сумме 4,95 млн. тенге и применяются при проектировании резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Методики инженерного расчета прочности и долговечности, нормирования геометрических размеров вмятины стенки резервуара переданы в ТОО «Юсталькон» для использования в технических расчетах и прогнозировании остаточного ресурса и долговечности резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.
Полученные в работе результаты теоретического и экспериментального исследования обладают научной новизной и значительно дополняют ранее известные научные данные о напряженно-деформированном состоянии стенки в зоне вмятины. Предлагаемые методы расчета прочности и долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров с местными дефектами стенки в виде вмятин позволяют определить коэффициенты концентрации напряжений в зоне дефекта в зависимости от их геометрических размеров.
Результаты работы значительно дополняют известные данные о работе и напряженно-деформированном состоянии стенки вертикального цилиндрического резервуара с вмятинами, развивают теоретические основы и дают возможность совершенствования норм проектирования.
Условные обозначения: R – радиус резервуара, м; 
-толщина стенки резервуара; 
- глубина вмятины, м; 
-радиус вмятины, м; 
-длина вмятины, м; 
- коэффициент надежности по нагрузке для гидростатического давления; 
- то же, для внутреннего избыточного давления; 
- расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению;
- плотность хранимого продукта, кг/м3; 
- высота налива, м; 
- расстояние от уровня, в котором определяются напряжения, до днища, м; 
- избыточное давление в паровоздушной среде, МПа; 
- коэффициент концентрации напряжений; 
- номинальное напряжение, МПа; 
,
- предел прочности и текучести материала оболочки, МПа; 
-амплитуда интенсивности деформации; 
,
- коэффициенты запаса;
- характеристики металла; 
и
- коэффициенты асимметрии цикла упругих и действительных деформаций; 
-показатель упрочнения для степенной аппроксимации диаграммы деформирования; 
-постоянная, определяемая в общем случае из расчета или эксперимента для данных величин 
и 
.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Ешимбетов Ш.Т., Сералиев Г.Е., Камбаров М.А. Двухмасштабное моделирование геометрических параметров модели вертикального цилиндрического резервуара // Труды Междунар. научно-практич. конфер. «Архитектура и строитель- ство Казахстана в новом тысячелетии». - Алматы. -2008. -С.361-363.
2. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Сералиев Г.Е., Камбаров М.А. Результаты испытаний вертикального цилиндрического резервуара объемом 3000м3 с локальным дефектом монтажного стыка // Труды Междунар. науч- но - практичес. конфер. «Архитектура и строительство Казахстана в новом тыся-челетии». - Алматы. - 2008. - С.361-363
3. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Шупакова Р.А., Звягина З.А., Камбаров М.А. Инженерная методика оценки напряженно-деформированного состояния зоны дефекта стенки вертикального цилиндрического резервуара в виде вмятин // Механика и моделирование процессов технологии. - Тараз.- 2009. - №1. - С.49-53.
4. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. К моделированию конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров при статическом нагружении // Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент. – 2009. - №3. - С.75-7.
5. Сулейменов У.С., Шупакова Р.А., Камбаров М.А. К методике экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния стенки резервуара в зоне вмятины // Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент. - 2009. -№5. - С.91-95.
6. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. Напряженное состояние зоны стенки вертикального цилиндрического резервуара с дефектами в виде вмятин // Труды Междунар. научно-практич. конфер. «Ауезовские чтения-8: Научное достижения-основа культурного и экономического развития цивилизации». - Шымкент. - 2009. - Т1. - С.10-14.
7. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Камбаров М.А. Нормирование ресурса вертикальных цилиндрических резервуаров дефектами в виде вмятин стенки // Сборник трудов 3-Междунар. научно-практич. конфер. «Пробле- мы инновационного развития нефтегазовой индустрии».- Алматы.-2010. - С.44-48.
8. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. Концентрация напряжений в зонах локального дефекта в виде вмятин стенки вертикального цилиндрического резервуара // Механика и моделирование процессов технологии. -Тараз. - 2009. - №2. - С.264-268.
9. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абилдабеков А.А., Камбаров М.А., Пернебеков С.С. Методика определения коэффициента условий работы вертикального цилиндрического резервуара с учетом концентраций напряжений в элементах конструкций // Труды Междунар. научно-практич. конфер. «Механика и строительство транспортных сооружений» 75-летия профессора Айталиева Ш.М. - Алматы. - 2010. - С.201-205.
10. Айнабеков А.И., Абилдабеков А.А., Камбаров М.А., Пернебеков С.С. Основные положения и пути совершенствования нормы СН РК 3.05-24-2004 на проектирование вертикальных стальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов // Сборник статей V- Междунар. научно-практич. конфер. МК 30-10 «Управление качеством в современной организации». - Пенза. -2010.- С.3-5.
11. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. Моделирование геометрических размеров модели фрагмента оболочки с вмятиной в стенке //Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент. - 2010. - №1. - С.85-88.
12. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. Результаты испытаний моделей фрагмента стенки цилиндрического резервуара с вмятиной //Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент. - 2010. - №2. - С.102-107.
13. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Камбаров М.А. Экспериментальная оценка напряженного состояния зоны вмятины в стенке модели цилиндрического резервуара // Сборник статей Междунар. научно-практич. конфер. «Инновационые и наукоемкие технологии в строительной индустрии». - Алматы. - 2010. - С.86-92.
амбаров Медетбек білдлы
«абырасында ойы тектес аауы бар болатты тік цилиндрлі резервуарларды беріктігі мен замерзімділігі»
01.02.06 - Машиналарды, аспаптарды жне аппаратураларды динамикасы, беріктігі мамандыы бойынша техника ылымдарыны кандидаты ылыми дрежесін алуа арналан диссертацияа
ТЖЫРЫМ
Зерттеу нысаны. Мнай жне мнай німдері шін болатты тік цилиндрлі резервуарлар.
Жмысты масаты. Тік цилиндрлі резервуарлар абырасындаы ойы аймаыны кернеулену-деформациялану кйіні ерекшеліктерін зерттеу жне беріктігі мен замерзімділігін есептеуде оны ескеруді ылыми негізделген дстемелерін жасау.
Жмысты жргізу тсілдері мен дістері. Тжірибелік зерттеулер лгі мен натуралы резервуар конструкциясы арасындаы аффиндік састы негізінде лгіленген ойыты абыраны фрагментінде, сондай-а клемі 2000м3 тік цилиндрлі резервуар конструкциясында жргізілді. Тжрибелік зерттеулерде тензометрлік лшеу дістеріне сйенген конструкцияларды сынауды белгілі жне стандартты дістемелері негізінде жргізілді.
Жмысты нтижелері:
-ойыты абыралы лгі мен натуралы резервуар конструкцияларын тжірибелік сынау арылы ойыты геометриялы лшемдері мен пішініні резервуар абырасыны кернеулену-деформациялану кйіне сері бааланды;
-абыраны деформациялануы, ойы аймаында кернеулерді таралуы зерттеліп ойыты геометриялы лшемдері мен кернеулерді шоырлану коэффициенті арасындаы туелділік аныталды;
- ойы аймаында кернеулерді шоырлануыны математикалы сипаттамасы, тедеуі жне осы тедеу негізінде ойыты геометриялы лшемін ескере кернеулерді шоырлану коэффициентін анытау шін растырылан номограмма сынылды;
-шектік кйлер дістемесіне негізделген ойыты абыралы резервуарлар беріктігі мен замерзімділігін есептеуге арналан тедеулер сынылды;
- ойы тектес аауы бар абыралы резервуарларды аз циклды ажуа есептеуді дістемесі жетілдірілді;
- аз циклды ажуа есептеу дістемесі негізінде резервуарлар абырасында жарыша пайда болмауы шартына байланысты ойыты шектік геометриялы лшемдерін нормалау дістемесі сынылды.
Негізгі конструкциялы, технологиялы жне техника экономикалы сипаттамалар. ткізілген зерттеулер нтижелері бойынша кернеулерді шоырлану коэффициентін анытайтын тедеу мен осы тедеу негізінде ойыты геометриялы лшемін ескере кернеулерді шоырлану коэффициентін анытайтын номограмма сынылды. Ойыты геометриялы лшемін, орналасан орнын жне резервуар абырасыны материалы сипаттамасын ескере резервуар беріктігін баалауа арналан тедеулер сынылды.
Жмыс нтижелерін ендіру дегейі. Диссертациялы зерттеулер нтижелері 4950000 теге жалпы экономикалы тиімділікпен Инжинирингті компания «Казгипронефтетранс» ЖШС (Алматы.), «ПромНефтеСинтез» ЖА (Самара., Ресей), «Шымкент Октан» ЖШС (Шымкент.) ендірілді жне мнай мен мнайнімдерін сатауа арналан тік цилиндрлі резервуарларды жобалау мен оны рылысында олданылады. Резервуар беріктігі мен замерзімділігін инженерлік есептеу дістемесі, резервуар абырасындаы ойыты геометриялы лшемін нормалау резервуарларды замерзімділігі мен алды орын болжау жне техникалы есептемелерді орындауа «Юсталькон» ЖШС-не берілді.
Енгізу сыныстары немесе ылымизерттеу жмысы нтижелерін енгізу орытындылары. Ойы аймаындаы абыраны кернеулену- деформациялану кйін баалау, есептеу формуласы жне ойы аймаындаы кернеулерді шоырлану коэффициентін анытау номограммасы, ойыты геометриялы лшемін нормалау алгоритмі трлі нерксіп саласындаы ылыми, инженерлік техникалы ызметкерлеріне, жобалау жне ылыми зерттеу институттарына тік цилиндрлі резервуарларды жобалау жне есептеу дістемесін жетілдіру шін сынылуы ммкін.
олдану саласы. Зерттеулерде алынан нтижелер тік цилиндрлі резервуарларды кеінен олданатын мнай жне мнайды ндеу, энергетика, химиялы нерксіп жне транспорт салаларында, сонымен атар жоары оу орындарында біратар техникалы пндерді оытуда кеінен олданылуы ммкін.
Жмысты маыздылыы мен экономикалы тиімділігі. ткізілген зерттеу нтижелері тік цилиндрлі резервуарларды пайдалану кезінде апатты жадайлар мен кездейсо жадайлар санын азайтуа ммкіндік береді. Резервуар абырасындаы ойыты геометриялы лшемдерін нормалау, замерзімділігі мен беріктігін есептеуді сынылан дістемелері резервуарларды жмысын сенімді талдауа, жмыс режимін отайлы тадауа, сондай-а резервуарларды аымдаы жне крделі жндеулерден ткізу мерзімдерін тиімді тадауа ммкіндік береді.
Зерттеу нысанын дамытуды жобалы болжамы. Ойыты абыралы резервуарларды замерзімділігі мен беріктігін есептеуге сынылан дістемесі, ойыты геометриялы лшемін нормалау дістемесі клдене жне тік резервуарларда, цистерналарда, газгольдерлерде, лкен ысымда жмыс істейтін ыдыстар мен аппараттарда жне магистральды быр желілерінде аталан аауларды ауіптілігін баалау шін олданылуы ммкін. Зерттеу нысаны ойы аймаында кернеулерді шоырлануын тмендету бойынша конструкциялы іс-шараларды жне пайдалану кезінде ойыты тзетуді конструкциялы дістерді жасау баыттарында дамытылуы ммкін.
Kambarov Medetbek Abildayvich
The stability and longevity steel vertical cylindrical thanks with wall defects in the manner of dent
01.02.06 – Dynamics, strength of machines, equipments and instruments for the researching degree candidate of technique
Summary
Object of research is the steel vertical cylindrical tank for oil and mineral oil.
The aim of the work is studying features of the intense-deformed condition of the dent zone in the wall of vertical cylindrical tanks and working out of scientifically proved techniques of their account in durability and durability calculations.
Method and methodology of carrying out of work. Experimental researches are carried out on models of the fragment of the wall with the dent of the tank simulated on the basis of affine conformity between model and a natural design, and also on a design of the vertical cylindrical tank in volume 2000м3. Experiments are carried out on the basis of the standard and approved techniques of carrying out of tests of the designs based on tenzometric methods of measurement.
Results of work:
- Influence of the geometrical sizes and the dent form on the is intense-deformed condition of the tank wall on models of the fragment of the wall and on a design of the natural tank with the dent in the wall is experimentally estimated;
Wall deformation, distribution of pressure in the dent zone -are studied and dependences of factor of concentration of pressure on their geometrical sizes are obtained;
The mathematical description-is given, the equation for definition of concentration of pressure in the dent zone depending on their geometrical sizes and on the basis of this equation is offered, the nomogramms definitions of concentration of pressure in the defect zone are constructed;
The equations for calculation of durability and stability of the tank wall with the dents, based on the method of limiting conditions-are offered;
- the design procedure little cyclic weariness of tanks with imperfections of the form of the wall in the form of dents is proved;
- On a basis improved design procedures little cyclic from a condition not occurrence of a crack of weariness in a tank wall the technique of rationing of the limiting sizes of a dent is offered weariness.
The basic constructive, technological and technical-operational characteristics. By results of the spent researches the formula i, constructed on the basis of the given formula, nomogramm for definition of factor of concentration of pressure in a tank wall in the dent zone from the geometrical sizes of the dent is offered. Formulas for an estimation of durability of the tank taking into account the locations, the geometrical sizes of the dent and characteristics of the wall material of the tank are offered.
Introduction degree. Results of dissertational research are introduced in Open Company Engineering company "Kazgyproneftetrans" (of Almaty), Joint-Stock Company “Promneftesyntez” (Samara, Russia), Open Company «Shymkent Оktan» (Shymkent) with the general economic benefit in the sum 4950000 tenges also are applied at designing and building of vertical cylindrical tanks to oil and mineral oil.
Techniques of engineering calculation of durability and durability, rationing of the geometrical sizes of the dent of tank wall are transferred in Open Company "Yustalkon" for use in technical calculations and forecasting of a residual resource and durability of tanks for oil and mineral oil.
Recommendations about introduction or results of introduction of research work. A technique of an estimation of the is intense-deformed condition of a wall in the dent zone, the formula of calculation and nommogram definitions of factors of concentration of pressure in the dent zone, algorithm of rationing of the geometrical sizes of dents can be recommended scientific, to technical officers of various industries, design and to scientific research institutes for perfection of methods of calculation and designing of vertical cylindrical tanks.
Area of application. The results obtained by researches can find application in oil and oil refining, power both chemical industries, and transport where vertical cylindrical tanks are widely used, and also in high schools at teaching of some technical disciplines.
Economic efficiency or the importance of work. Results of the spent researches allow reducing breakdown susceptibility and quantity non-staff situations at operation of vertical cylindrical tanks. The offered design procedures of durability and durability, rationing of geometrical parameters of dents of the tank allow to analyze more authentically work of tanks and optimum to pick up operating modes, terms flowing and tank major repairs.
Forecast assumptions of development of research object. The offered methods of calculation of durability and durability of tanks with dents in the wall, techniques of rationing of the geometrical sizes of dents can be applied to an estimation of danger of similar defects in horizontal and vertical tanks, tanks, gasholders, vessels and devices of pressure and the main pipelines. The object of research can be developed in a direction of working out of constructive actions for decrease in concentration of pressure in a zone of a dent and perfection of technological and constructive methods on straightening of dents while in service.
Подписано в печать 26.05.2010г.
Формат 60-84 1/16. Бумага ксероксная
Заказ № 1743. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз.
Издательский центр Южно-Казахстанского государственного университета
им. М. Ауезова. г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5
