Оценка прочности цилиндрических резервуаров с учетом локальных дефектов сварных соединении в виде увода кромок 01. 02. 04 Механика деформируемого твердого тела

Введение
Общая характеристика работы. Нефтяная промышленность является базовой отраслью топливно-энергетического комплекса, оказывающей существенное влияние на экономическое положение в стране.

Прогнозируется дальнейший рост объема добычи и экспорта казахстанской нефти, следовательно, возникает необходимость расширения существующих резервуарных парков, основным звеном которых являются стальные вертикальные цилиндрические резервуары.

Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов относят к особо ответственным конструкциям, так как их отказы и разрушения могут привести к серьезным экономическим и экологическим последствиям и риску для жизни людей.

Анализ аварий внештатных ситуаций на резервуарах показывает, что одной из главных причин, существенно снижающей уровень эксплуатационной безопасности резервуаров, являются дефекты геометрической формы.

В связи с этим в настоящей работе обсуждаются результаты комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на оценку напряженно-деформированного состояния зоны стенки с дефектами в виде увода кромок сварного стыкового шва, малоцикловой усталости с учетом концентрации напряжений в зоне дефекта и разработка соответствующих методик расчета.

Актуальность темы. Наиболее распространенными источниками аварий резервуаров являются геометрические несовершенства формы стенки резервуара, которые вызывают концентрацию напряжений в зоне несовершенства.

Среди концентраторов напряжений в отдельную группу можно выделить локальные несовершенства сварных соединений: подрезы, увод и смещение кромок стыка, наплывы сварного металла, дефекты сварки.

Анализ результатов технических отчетов по обследованию резервуаров для нефти и нефтепродуктов показывает, что более 80 % обследованных резервуаров имеют несовершенства в сварных соединениях.

Среди дефектов сварных соединений в группу конструктивно-технологических можно отнести смещение кромок, угловатость, овальность и др.

Анализируя статистику отказов можно прийти к выводу, что дефекты в виде смещения кромок часто фигурируют среди основных факторов, повлекших разрушение резервуаров. В связи с этим, пренебрежение опасностью, которую представляют указанные дефекты без соответствующего обоснования может привести к увеличению числа аварий.

Однако с интенсификацией производства, увеличением количества циклов слива-налива, резервуары начали использоваться не только как сооружения, но и как технологическое оборудование. При этом произошел переход от повторно-статического режима к режиму малоциклового нагружения, что предъявляет более высокие требования к дефектам формы резервуара, связанные с концентрацией напряжений.

В связи с этим возникает необходимость совершенствования методики оценки малоцикловой усталости с учетом особенностей распределения напряжений в зоне дефекта в виде смещения кромок сварного стыка.

Все это побуждает к более детальному рассмотрению технической задачи по оценке прочности и малоцикловой усталости вертикальных стальных резервуаров с локальными дефектами сварных соединении в виде увода кромок.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой, включенной в тематический план НИР ЮКГУ им. М.Ауезова Б-ТН-06-05-06 «Исследование влияния технологических и эксплуатационных условий на прочность оборудования и конструкций и разработка эффективных методов повышения прочности и защиты от коррозии» на 2005-2010 годы.

Целью работы является оценка влияния локальных дефектов сварного соединения в виде увода кромок на прочность и долговечность резервуаров, разработка методик их учета в расчетах и нормирование геометрических размеров дефекта.

В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие научные задачи:

- на основе анализа литературных данных изучены причины снижения работоспособности, характер геометрических несовершенств, существующие методы расчета, основных положений существующих норм проектирования резервуара;

- проведение теоретических исследований влияния дефекта сварного соединения в виде увода кромок на напряженно-деформированное состояние зоны дефекта и на малоцикловую усталость резервуара;

- проведение экспериментальных исследований по оценке напряженно-деформированного состояния зоны дефекта и малоцикловой усталости резервуара с учетом несовершенств в виде увода кромок и разработка методики;

- совершенствование методики оценки прочности и долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров с учетом несовершенств в виде увода кромок сварного стыка;

- разработка методик нормирования геометрических размеров увода кромок сварного стыка и ресурса резервуара с учетом указанного несовершенства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- получены аналитические зависимости напряженно-деформированного состояния зоны дефекта в виде увода кромок сварного стыка и оценена малоцикловая усталость резервуара с учетом геометрических размеров увода кромок;

- оценено влияние геометрических размеров увода кромок сварного стыка на малоцикловую усталость резервуара;

- установлены зависимости концентрации напряжений в зоне дефекта от величины увода кромок сварного стыка;

- предложены формулы для расчета прочности и устойчивости резервуаров с учетом локальных дефектов соединений в виде увода кромок сварного стыка и усовершенствованы методики оценки прочности и малоцикловой усталости резервуара с учетом размеров дефекта в виде увода кромок сварного стыка;

- на основе методики определения коэффициентов условий работы резервуарной конструкций установлены их значения для стандартного ряда резервуаров с учетом дефектов в виде увода кромок сварного стыка;

- разработаны и предложены методики нормирования допускаемых размеров увода кромок стыка и ресурса резервуара с учетом концентрации напряжений в зоне увода кромок.

Научные положения, выносимые на защиту:

- экспериментально установленные зависимости коэффициента концентрации напряжений в зоне дефекта от геометрических размеров увода кромок стыка;

- формулы для определения напряжений в зоне дефекта в виде увода кромок;

- формула для определения коэффициента концентрации напряжений с учетом глубины увода кромок сварного стыка;

- усовершенствованные методики оценки прочности и малоцикловой усталости резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне увода кромок сварного стыка;

- значения коэффициентов условий работы для сварного соединения с несовершенством в виде увода кромок стыка;

- методики нормирования геометрических размеров увода кромок и ресурса резервуара с учетом концентрации напряжений в зоне дефекта.

Практическая значимость работы заключается в разработанных методиках инженерного расчета прочности и долговечности резервуаров с дефектами сварных соединений в виде увода кромок стыка, методиках нормирования геометрических размеров увода кромок и ресурса резервуара, в установленных, нормируемых значениях коэффициента условий работы, учитывающих особенности распределения напряжений в зоне дефекта, которые могут быть использованы в проектных и научно-исследовательских институтах при проектировании новых, усилении и ремонте эксплуатируемых резервуаров.

Выведенные формулы расчета напряжений и оценки концентрации напряжений в зоне дефекта позволяет с учетом геометрических размеров увода кромок сварного стыка, оценить характер напряженно-деформированного состояния зоны дефекта.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обусловлена анализом и обобщением литературных данных, корректной постановкой задач исследования, применением стандартных методик экспериментальных исследований, применением фундаментальных законов механики и теории упругости, математической корректностью поставленных задач, получением решений задач в соответствии со строгими аналитическими методами, сопоставлением и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов с данными теоретических исследований и результатами исследований других авторов.

Практическая реализация результатов работы. Методики инженерного расчета прочности и малоцикловой усталости резервуаров с дефектами в виде увода кромок сварного стыка, методики нормирования геометрических размеров увода кромок стыка и ресурса цилиндрических резервуаров переданы для практического внедрения в ТОО «Шымкент Октан» для использования в технических расчетах и прогнозирования остаточного ресурса резервуаров. Установленные значения коэффициента условий работы резервуара с несовершенствами сварного соединения в виде увода кромок стыка переданы в ЗАО «Инжиниринговая компания «Казгипронефтетранс»» для совершенство-вания СН РК 3.05-24-2004 в части «Расчет конструкций резервуаров». Общий экономический эффект от внедрения результатов составил 2 889 000 тенге.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных и научно-практических конференциях: «Валихановские чтения-13» (г.Кокшетау, 2008г.), «Ауезовские чтения -8: Научные достижения - основа культурного и экономического развития цивилизации» (г. Шымкент, 2009г.), «Механика и строительство транспортных сооружений» (г. Алматы, 2010г.), «Управление качеством в современной организации» (г. Пенза, Россия, 2010г.), «Научное пространство Европы - 2010» (г. Пшемысль, Польша, 2010г.), «Третьи Ержановские чтения» (г. Актобе, 2010г.).

Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, основание и исходные данные для разработки темы исследования, обоснование необходимости проведения настоящих исследований, сведения о метрологическом обеспечении исследования, обоснована актуальность и научная новизна темы, показана ее связь с другими научно-исследовательскими работами, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научные положения, выносимые на защиту, практическая значимость результатов работы, обоснованность и достоверность научных положении, выводов и результатов, сформулированных в диссертационной работе.

В первом разделе изучено современное состояние резервуаростроения в отечественной и зарубежной практике, произведен системный анализ причин разрушения резервуаров, выделены доминирующие причины, связанные с дефектами сварных соединений, произведен обзор существующих методов расчета прочности и долговечности резервуаров. Представлены результаты анализа требований отечественных и зарубежных нормативных документов к обеспечению прочности и долговечности с учетом дефектов сварных соединений.

Показано, что более половины всех отказов конструкций резервуаров происходят из-за дефектов в сварных соединениях. Логика анализа последствий аварий указывает на то, что, поскольку значительная доля ресурсных отказов так или иначе связана со сварными соединениями, а факторы, отнесенные к ответственным за инициацию разрушения, то предположено, что сварные соединения являются «критическими элементами» и работоспособность резервуара определяется состоянием именно этого элемента.

В группу «рисковых» дефектов сварных соединений введены дефекты сплошности металла сварного соединения, увод и смещение кромок, которые приводят к изменению полей напряженности и значительным концентрациям напряжений.

Дан обзор работ, посвященных исследованиям напряженно-деформированного состояния зоны дефекта в виде увода кромок стыка, методов расчета сварных соединений с дефектами, среди которых выделены работы В.В.Ларионова, В.В.Николаева, В.В.Лихмана, Л.Н.Копысицкой, В.М.Муратова, В.В.Евдокимова, И.И.Макарова, А.А.Сигаева, Т.М.Емельянова, Ю.В.Соболева, J.Ziolko, E.Supernak, P.Malhotra, M.Wieland и др.

Проведенный обзор свидетельствует об отсутствии допусков на величину глубины увода кромок сварного соединения, расчетного метода, позволяющего достоверно оценить распределение напряжения и концентрацию напряжений в зоне дефекта. Показано, что используемые методики расчета прочности сварных соединений не учитывают концентрацию напряжений в зоне дефекта, которая непосредственно связана с характером нагружения, геометрическими размерами дефекта в виде увода кромок и характеристиками материала.

Указано, что характер распределения напряжений в зоне увода кромок стыка во многом зависит от глубины увода кромок.

По результатам обзора работ, посвященных расчету малоцикловой усталости резервуаров с учетом дефектов в виде увода кромок на реально действующие нагрузки и с учетом концентрации напряжений в зоне дефекта, в настоящее время не производится, что свидетельствует о недостаточности данных о действительном нагружении и напряженном состоянии сварного соединения с дефектами.

Выявлено, что в существующих отечественных нормах и нормах зарубежных стран не нашли отражение вопросы учета локальных дефектов сварных соединений в виде увода кромок стыка в расчетах прочности и долговечности резервуаров, установления допускаемых глубин увода кромок сварного стыка, определения ресурса резервуара с указанными дефектами.

По результатам проведенного обзора литературных источников по решаемой проблеме определена цель и поставлены задачи диссертационного исследования.

Во втором разделе работы представлены результаты теоретических исследований влияния дефектов сварного соединения в виде увода кромок стыка на напряженно-деформированное состояние зоны дефекта и малоцикловую усталость резервуара.

На первом этапе с целью выявления влияния увода кромок продольного шва на величину и характер распределения напряжений в зоне сварного соединения рассмотрено двухосное напряженное состояние сечения оболочки в зоне дефекта. Считая, что все сечения оболочки работают в одинаковых условиях нагружения, расчет в соответствии с рисунком 1, приведен к расчету криволинейной рамы, нагруженной внутренним давлением.

Принято, что радиус срединной поверхности в результате увода кромок стыка изменяется по закону логарифмической спирали, для которой будут верны следующие равенства:

, 0   2, , ,

, . (1)


Рисунок 1 – Расчетная схема оболочки с уводом кромок стыка сварного соединения
Канонические уравнения метода сил в задаче записаны в виде:

,

, (2)

,

Для определения коэффициентов канонических уравнений (2) при неизвестных Х₁, Х₂ и Х₃ применена формула Мора и получены следующие выражения:

, , ,

, ,

, , (3)

,


Выражения для определения изгибающего момента М_, поперечной силы Q_ и кольцевой силы Т_Q будут следующими:

; (4)

; (5)

(6)
где .

Напряжения в сечениях оболочки определялись по известным формулам тонкостенных оболочек.

По изложенной методике оценки напряженно-деформированного состояния зоны увода кромок сварного соединения были произведены инженерные расчеты резервуаров различных геометрических размеров и глубиной увода кромок сварного стыка, в соответствии с рисунком 2, и оценена концентрация напряжений в зоне дефекта.

— кольцевые напряжения; ---- меридиональные напряжения
Рисунок 2 – Эпюры напряжений в зоне увода кромок стыка сварного соединения
На втором этапе теоретических исследований на основе методики расчета малоцикловой усталости тонкостенных цилиндрических оболочек исследовано влияние концентрации напряжений в зоне дефекта в виде увода кромок сварного соединения на долговечность резервуара. Показано, что наибольшее снижение числа циклов до разрушения оболочки наблюдались в случае наличия дефекта в виде увода кромок в продольных швах оболочки. Установлено, что число циклов нагружения до разрушения во многом зависит от относительной глубины увода кромок.

В третьем разделе работы представлены результаты экспериментальных исследовании напряженно-деформированного состояния сварных соединений с дефектами в виде увода кромок стыка.

Экспериментальные исследования проводились на образцах трех типов: А – с уводом кромок стыка, расположенного перпендикулярно к растягивающему усилию; Б – с уводом стыка расположенного продольно к растягивающему усилию; В – с уводом кромок стыка, расположенных в обоих направлениях к растягивающему усилию.

Образцы изготовлены из стали 09Г2С с толщиной 10 мм. Механические характеристики стали и ее химический состав представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Механические характеристики и химический состав стали 09Г2С

Механические характеристики

Химический состав

Предел текучести 0,2, МПа

Предел прочности в, МПа

Относительное удлинение , %

Относительное сужение , %

Данные из источников

C

Si

Mn

Cr

Ni

Cu

S

P

340-345

370-490

23-26

63

ГОСТ 19281-89

0,12

0,5… 0,8

1,3… 1,7

0,30

0,30

0,30

0,04

0,035

Микро-анализ

0,11

0,62

1,32

0,13

0,10

0,08

0,03

-

Общий вид образцов и их геометрические размеры представлены в соответствии с рисунками 3 и 4.

Рисунок 3 – Общий вид образцов подготовленных к испытаниям

Сварка образцов производилась ручной дуговой сваркой электродами УОНИ 13/45. Разделка кромок стыка V-образная.

При сварке образцов с пересекающимися швами (образец ОПП), первым заваривался поперечный шов, вторым продольный. После сварки у всех образцов заподлицо с их поверхностью фрезеровалось усиление сварного шва.

Образец ОПр-2 Образец ОПп-2 Образец ОПП

Рисунок 4 – Основные геометрические размеры образцов

Для сравнительной оценки влияния глубины смещения кромок сварного стыка на распределение напряжений в зоне дефекта, варьировалась глубина смещения кромок от 2 до 4 мм, что составляло (1/5 … 1/2,5) начальной толщины образца.

Исследование напряженного состояния образцов всех типов проводилось методом тензометрии материалов и конструкции. В качестве тензорезисторов использовались датчики на бумажной основе базой 10 мм. В качестве регистрирующей аппаратуры деформаций использовался автоматический измеритель деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП-1. Испытание на растяжение образцов с уводом кромок производилось на гидравлической разрывной машине ГРМ-1А.

Установлено, что локальный дефект в виде увода кромок стыка является местным концентратором напряжений.

Поле упругих напряжений в зоне смещения кромок стыка рассчитанные по разработанной методике и результаты испытаний образцов представлены в соответствии с рисунком 5.

-  = 0; -  = 2 мм; -  = 4 мм

, , -экспериментальные значения; - расчетная кривая

Рисунок 5 – Распределение напряжений в зоне смещения кромок сварного стыка

Как видно из рисунка 5 с ростом смещения кромок стыка неравномерность напряженного состояния увеличивается.

При относительном смещении кромок сварного стыка равном толщины стенки интенсивность напряжений в зоне дефекта достигает до 2 раз, а при толщины стенки - 3,6 раза.

В четвертом разделе работы обсуждаются вопросы методологических основ и нормирования геометрических размеров дефекта в виде увода кромок и ресурса резервуара. На основе методики расчета малоцикловой прочности тонкостенных оболочечных конструкций произведена оценка малоцикловой усталости резервуарной конструкции с дефектами сварного соединения в виде увода кромок.

С учетом особенностей деформирования и разрушения сварных соединений оболочек предложена усовершенствованная методика определения малоцикловой усталости сварных соединений, основанной на деформационном критерии малоциклового разрушения.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния зоны дефекта определены значения коэффициентов условий работы для резервуарной конструкции с дефектами в виде увода кромок для существующего стандартного ряда резервуаров и обоснована возможность нормирования их значений. На основании анализа нормативных документов зарубежных стран предложена структура и сформулированы требования к назначению коэффициента условий работы для конструкций с дефектами в виде увода кромок сварного стыка.

На основе методики расчета малоцикловой усталости вертикальных цилиндрических резервуаров с дефектами в виде увода кромок разработаны методики и алгоритмы нормирования геометрических размеров увода кромок стыка, а также нормирования ресурса резервуара с дефектами в виде увода кромок. Алгоритмы нормирования геометрических размеров увода кромок стыка и ресурса резервуара апробированы на примерах расчета резервуаров различных объемов.

Результаты исследований внедрены в ТОО «Шымкент Октан» (г. Шымкент) с общим экономическим эффектом в сумме 2 889 000 тенге и применяются при проектировании вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов.

Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:

1. Рассматривая двухосное напряженное состояние сечения оболочки в зоне увода кромок стыка, считая, что радиус срединной поверхности в результате увода кромок стыка изменяется по закону логарифмической спирали, составлены канонические уравнения метода сил для криволинейной рамы, нагруженной внутренним давлением и получены выражения для определения внутренних усилий в сечении оболочки с уводом кромок. Описана методика расчета напряженно-деформированного состояния стенки оболочки в зоне увода кромок стыка.

2. На основе разработанной методики расчета напряженно-деформированного состояния стенки оболочки в зоне дефекта произведены расчеты конструкций резервуаров и показано, что увеличение глубины увода кромок значительно влияет на уровень концентрации напряжений в зоне дефекта. Показано, что концентрация напряжений в зоне увода кромок стыка в первую очередь определяется параметром тонкостенности, относительным уводом кромок и номинальной нагрузкой. В диапазоне изменения параметра тонкостенности оболочки от 20 до 200, коэффициент концентрации напряжений определяется относительным уводом кромок и практически не зависит от протяженности увода кромок в окружном направлении, его формы и тонкостенности.

3. С учетом особенностей напряженно-деформированного состояния зоны увода кромок стыка, характера напряжения резервуаров и тонкостенности цилиндрических оболочек описана методика расчета малоцикловой усталости резервуаров с дефектами сварного соединения в виде увода кромок основанного на деформационном критерии разрушения. Расчеты малоцикловой прочности резервуаров с дефектами сварных соединений в виде увода кромок стыка показали, что наибольшее снижение числа циклов до разрушения наблюдается в случае увода кромок стыка в продольных швах, чем в кольцевых. Число циклов нагружения до разрушения оболочки во многом зависит от величины увода кромок стыка.

4. Экспериментальными исследованиями образцов с различными величинами увода кромок стыка и расположением к действующим усилиям изучено распределение напряжений в зоне дефекта в виде увода кромок стыка сварного соединения. Установлена зависимость между коэффициентом концентрации напряжений и размерами увода кромок стыка и предложено уравнение для определения теоретического коэффициента концентрации напряжений в зоне дефекта.

5. На основе полученных результатов испытаний образцов с дефектами в виде увода кромок стыка и расчетного эксперимента усовершенствованы методики прочностного расчета и расчета малоцикловой усталости резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне дефекта.

6. Установлены значения коэффициента условий работы для сварного соединения резервуара с учетом концентрации напряжений в зоне увода кромок стыка.

7. Разработаны методики и алгоритмы нормирования допускаемых геометрических размеров увода кромок стыка сварного соединения конструкций и остаточного ресурса резервуара с учетом малоциклового нагружения.

Оценка полноты решений поставленных задач. Комплексными исследованиями получены результаты, которые позволили обосновать необходимость учета в расчетах прочности и долговечности резервуаров концентрацию напряжений в зоне дефекта в виде увода кромок стыка и предложены методики и их алгоритмы, которые позволяют более достоверно оценить прочность и долговечность резервуарной конструкции.

Полноту решения задач, поставленных перед диссертационным исследованием, подтверждают результаты апробации работы и внедрения в производство.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Методики расчета прочности и малоцикловой усталости, нормирования геометрических размеров увода кромок стыка и ресурса резервуара, установленные значения коэффициента условий работы, выведенные расчетные формулы и установленные зависимости концентрации напряжений от величины увода кромок рекомендованы научным и инженерно-техническим работникам различных отраслей промышленности, проектных и научно-исследовательских институтов для совершенствования методов расчета вертикальных цилиндрических резервуаров.

Исходными данными по конкретному использованию результатов работы являются физико-механические характеристики материала стенки, геометрические размеры резервуара и несовершенства в виде увода кромок стыка, эксплуатационные нагрузки и режим нагружения резервуара.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Экономический эффект от внедрения в производство результатов диссертационного исследования в ТОО «Шымкент Октан» составил 2 889 000 тенге. Методики нормирования геометрических размеров увода кромок стыка и ресурса резервуара, алгоритм определения коэффициента условий работы конструкции резервуара с дефектом в виде увода кромок сварного стыка переданы в ЗАО «Инжиниринговая компания «Казгипронефтетранс»» для применения в проектировочных расчетах и прогнозирования остаточного ресурса резервуаров.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. На основе проведенных комплексных исследований получены результаты, которые обладают научной новизной и практической значимостью и значительно дополняют ранее известные науке и технике данные о статической и малоцикловой прочности резервуаров с дефектами сварных соединений. Предложенные методики расчета, нормирования размеров увода кромок стыка и ресурса резервуара выгодно отличаются от большинства существующих методик достоверностью, научной обоснованностью и соответствием действительной нагруженности конструкции с дефектами в виде увода кромок, что доказывает высокий уровень выполненного исследования.

Условные обозначения: - величина увода кромок, м; радиус геометрически правильной цилиндрической оболочки, м; – внутреннее давление в оболочке, МПа; взаимные смещения точек сечения, м; - цилиндрическая жесткость; изгибающий момент, Н·м; поперечная сила, Н; кольцевая сила, Н; - параметр напряженного состояния; радиус срединной поверхности, м; свободные члены системы канонических уравнений метода сил; угловая координата; - номинальное напряжение, МПа; номинальное кольцевое напряжение, МПа; номинальное меридиональное напряжение, МПа; -номинальное напряжение, МПа; -максимальное местное напряжение, МПа.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1 Ешимбетов Ш.Т., Пернебеков С.С. Основные тенденции развития и проблемы отечественного резервуаростроения // Научные труды ЮКГУ им. М.Ауезова. – Шымкент, 2007. - №13-14. – С. 6-9.

2 Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Сералиев Г.Е., Пернебеков С.С. О современных проблемах отечественного резервуаростроения // Материалы Межд. науч.-практ. конф. «Валихановские чтения-13».- Кокшетау, 2008.- С.223-226.

3 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Нормирование ресурса сварных цилиндрических резервуаров с несовершенством в виде увода кромок стыка // Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2009. - № 6(79). - С.127-131.

4 Айнабеков А.И., Ешимбетов Ш.Т., Пернебеков С.С. О выборе коэффициента условий работы применительно к расчету конструкций по предельным состояниям с учетом концентрации напряжений в зонах несовершенства форм резервуара // Тр. Межд. науч.-практ. конф. «Ауезовские чтения-8: Научные достижения - основа культурного и экономического развития цивилизации». - Шымкент, 2009. – Т.6. - С. 219-222.

5 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Методика нормирования глубины увода кромок стыкового соединения стенки цилиндрических резервуаров с учетом малоцикловой усталости // Вестник КазГАСА. –Алматы, 2009. №4(34). - С.110-114.

6 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Концентрация напряжений в сварных соединениях резервуара с несовершенством в виде увода кромок // Механика и моделирование процессов технологии. – Тараз, 2009. №2. - С. 296-299.

7 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 // Тр. Межд. науч.-практ. конф. «Механика и строительство транспортных сооружений».- Алматы, 2010. - С.205-208.

8 Айнабеков А.И., Пернебеков С.С., Абилдабеков А.А., Камбаров М.А. Основные положения и пути совершенствования нормы СН РК 3.05-24-2004 на проектирование вертикальных стальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов // Сб. статей V Межд. науч.-практ. конф. «Управление качеством в современной организации».- Пенза, 2010.- С. 3-6.

9 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Определение концентрации напряжений в сварных соединениях резервуара с уводом кромок стыка и их учет в расчетах конструкции // Материалы республиканской науч.-технич. конф. «Перспективы развития промышленности и аграрного сектора Республики Казахстан: наука, инновация, социально-экономические аспекты».- Кызылорда, 2010. - С. 87-91.

10 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Расчет цилиндрических резервуаров с дефектами формы в виде увода кромок сварного соединения // Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2010.-№1(80). - С. 88-90.

11 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Развитие методики расчета по предельным состояниям вертикальных цилиндрических резервуаров с учетом концентрации напряжений в элементах конструкций // Маteriali VI miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowa przestrzec Еuropy - 2010». – Przemysl, 2010. - С. 11-15.

12 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Учет концентрации напряжений в сварных соединениях с дефектом в виде увода кромок, в расчетах по методу предельных состояний // Материалы Межд. науч.-технич. конф. «Третьи Ержановские чтения». – Актобе, 2010. – Т. 1, С. 150-153.

13 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Пернебеков С.С. Результаты испытании сварных образцов, с различным смещением кромок сварного шва // Наука и образование Южного Казахстана. –Шымкент, 2010.-№3(82). - С. 80-84.


Пернебеков Сәкен Сәдібекұлы

«Дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі жергілікті ақаулары бар цилиндрлік резервуарлардың беріктігін бағалау»

01.02.04 –Деформацияланатын қатты дене механикасы мамандығы бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін алуға арналған диссертацияға

тұжырым

Зерттеу нысаны. Мұнай мен мұнай өнімдерін сақтауға арналған болат тік цилиндрлі резервуарлар.

Жұмыстың мақсаты. Дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі жергілікті ақаулардың резервуарлар беріктігі мен ұзақмерзімділігіне әсерін бағалау, жалғауларды есептеу, ақаудың геометриялық өлшемдері мен резервуардың жұмыс қорын нормалау әдістемелерін жасау.

Жұмысты жүргізу тәсілдері мен әдістері. Жұмыста деформацияланатын қатты дененің, серпімділік пен иілімділік және кіші циклды қажудың классикалық теориялары қолданылған. Тәжірибелік зерттеулер үлгілерді созуға сынаудың стандарттық әдістемелерін пайдалану және тензометрлік өлшеу әдістері арқылы жүргізілді.

Жұмыс нәтижелері: дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар аймақтың кернеуленудеформациялану күйінің кемістіктің геометриялық өлшемдеріне тәуелділігі анықталған; дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуінің геометриялық өлшемдерінің резервуарлардың кіші циклдық қажуына әсері бағаланды; тәжірибелік тұрғыдан ақаулар аймағындағы кернеулердің шоғырлануы мен дәнекерленген жақтардың түйіспеуі шамасы арасындағы тәуелділік белгіленген; жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар аймақтағы кернеулердің шоғырлануын анықтауға арналған теңдеулер ұсынылған; жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі жергілікті ақаулары бар резервуарлардың беріктігі мен орнықтылығын есептеу формулалары ұсынылған; жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулар өлшемдерінің резервуарлардың кіші циклдық қажуын бағалау әдістемесі жетілдірілді; резервуарлар конструкцияларының жұмыс шарты коэффициентін анықтау әдістемесі негізінде жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі жергілікті ақаулары бар резервуарлардың стандарттық қатарына айтылған коэффициент мәндері белгіленген; жалғаулар ұштарының түйіспеуі шамасының рұқсат етілген өлшемдері мен резервуарлардың жұмыс қорын ақау аймағындағы кернеулердің шоғырлануын ескере нормалаудың әдістемесі жасалынды.

Негізгі конструкциялық, технологиялық және техникалық-пайдалану сипаттамалары. Дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі жергілікті ақаулары бар резервуарларды беріктік пен ұзақмерзімділікке инженерлік есептеу әдістемесі, жалғаулар ұштарының түйіспеуі шамасының геометриялық өлшемдері мен резервуарлардың жұмыс қорын нормалау әдістемесі, ақаулар аймағындағы кернеулердің таралу ерекшеліктерін ескеретін жұмыс шарты коэффициентінің шамалары жобалау және ғылыми-зерттеу институттарында жаңа резервуарларды жобалау, олардың көтергіш қабілетін өсіру мен жөндеу барысында пайдаланылуы мүмкін.

Ақаулар аймағындағы кернеулердің шоғырлануын есептеуге арналған формулалар, кернеулердің шоғырлану коэффициенті мен кемістік шамасының өлшемдері арасындағы тәуелділік, жалғауларында айтылған ақаулары бар резервуарлардың беріктігі мен ұзақмерзімділігін дәл бағалауға мүмкіндік береді.

Жұмыс нәтижелерін ендіру деңгейі. Жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар резервуарларды беріктікке және кіші циклдық қажуға инженерлік есептеу әдістемесі, жалғаулар ұштарының түйіспеуінің геометриялық өлшемдері мен цилиндрлі резервуарлардың жұмыс қорын нормалау әдістемелері «Шымкент Октан» ЖШС-не техникалық есептеулерде және резервуарлардың қалдық жұмыс қорын болжау мақсатында пайдалану үшін берілді. Жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар резервуарлардың жұмыс шарты коэффициентінің белгіленген шамалары ««Казгипронефтетранс» инжинирингтік компаниясы» ЖАҚ-на ҚР ҚН 3.05-24-2004 құжатының «Резервуарлар конструкцияларын есептеу» бөлімін жетілдіру үшін берілген. Жалпы экономикалық тиімділік 2 889 000 теңгені құрады.

Енгізу ұсыныстары немесе ғылыми зерттеу жұмысы нәтижелерін енгізу қорытындылары. Жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі геометриялық кемістігі бар резервуарлар қабырғаларының кернеулену-деформациялану күйін бағалау және кемістіктердің геометриялық өлшемдерін және дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар тік цилиндрлі резервуарлардың жұмыс қорын нормалау әдістемелері өнеркәсіптің әртүрлі салаларының жобалау және ғылыми-зерттеу институттарының ғылыми және инженерлік-техникалық қызметкерлеріне, тік цилиндрлі резервуарларды есептеу мен жобалау әдістерін жетілдіру үшін ұсынылады.

Қолдану саласы. Жұмысты орындау барысында алынған нәтижелер тік цилиндрлі резервуарлар кеңінен қолданылатын өнеркәсіптің мұнай және мұнай өндеу, энергетика және химиялық салаларында және көлікте, сонымен қатар жоғары оқу орындарында арнайы курстардың бірқатар техникалық пәндерін оқытуда қолданылуы мүмкін.

Жұмыстың экономикалық тиімділігі немесе маңыздылығы. Жүргізілген зерттеулер нәтижелері тік цилиндрлі резервуарларды пайдалану кезіндегі апаттар мен кездейсоқ жағдайлар санын азайтуға мүмкіндік береді. Резервуарлар кемістіктерінің геометриялық параметрлерін және олардың жұмыс қорын есептеу мен нормалаудың ұсынылған әдістемелері резервуарлардың жұмысын сенімді түрде талдауға және олардың жұмыс режимін, резервуарларды ағымды және күрделі жөндеу мерзімдерін оңтайлы түрде таңдауға мүмкіндік береді.

Зерттеу нысанын дамытудың жобалық болжамы. Дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулар орналасқан аймақтардағы кернеулердің шоғырлануын анықтаудың ұсынылып отырған әдістері және резервуарлардың беріктігі мен ұзақмерзімділігін айтылған жергілікті ақауларды ескере отырып, есептеуге арналған формулалар, кемістіктердің геометриялық өлшемдерін және дәнекерленген жалғаулар ұштарының түйіспеуі түріндегі ақаулары бар резервуарлардың жұмыс қорын нормалау әдістемелері әртүрлі цилиндрлік қабықшаларды есептеу мен оларды жобалау барысында қолданылуы мүмкін.

Pernebekov Saken Sadibekovich
«Estimation of durability of cylindrical tanks in view of local defects of welded connections as a withdrawal of a joint»

01.02.04 –Mechanics of deformed solid substances for the researching degree candidate of technique

Summary

The object of the research is steel vertical cylindrical tanks for oil and oil products.

The purpose of the research. The estimation of the local defects influence of welded connection as a withdrawal of the joint on toughness and durability of tanks, development of techniques of their account in calculation, standardization of the geometrical sizes of defect and resource of the tank.

Method and methodology of carrying out of work. The classical theories of the mechanics of a deformable firm body, elasticity and plasticity, small cycle of weariness are applied in the work. The experimental researches are carried out with usage of standard techniques of realization of sample tests on the stretching based on tenzometrical methods of measurement.

Results of work: the analytical dependences of the tense -deformed condition of the defect zone as a withdrawal of the welded seam from the geometrical sizes of imperfection are received; the influence of the geometrical sizes of a withdrawal of the welded seam on small cycles weariness of the tank is appreciated; the dependences of concentration of pressure in the defect zone from size of a withdrawal of the welded seam are experimentally established; the equations for definition of concentration of pressure in a zone of a withdrawal of the welded seam are offered; the formulas for account of toughness and stability of tanks are offered in view of local defects of welded connections as a withdrawal of the joint; the technique of the estimation of small cycles of weariness of the tank in view of the sizes of defect as a withdrawal of the welded seam is perfected; on the basis of the definition technique of factors of job conditions of designs of tanks their meanings for a standard number of tanks are established in view of defects as a withdrawal of a welded joint; the techniques of the establishment of the admitted sizes of a withdrawal of the welded seam and resource of the tank are developed and offered in view of concentration of pressure in a zone of a withdrawal.

The basic constructive, technological and technical-operational characteristics. The techniques of engineering account of toughness and durability of tanks with defects of welded connections as a withdrawal of the joint, technique of an establishment of the geometrical sizes of a withdrawal of the welded seam and resource of the tank are developed, the meanings of factor of job conditions taking into account features of pressure distribution in a zone of defect are established, and can be used in design and research institutes at designing new, amplification and repair of maintained tanks.

The deduced formulas of calculation and established dependences of pressure concentration in a zone of defect from the sizes of a withdrawal of the joint allow authentically estimating toughness and durability of the tank with defects of welded connection as a withdrawal of the joint.

Introduction degree. The techniques of engineering account of toughness and small cycles of weariness of tanks with defects as a withdrawal of the welded joint, technique of the establishment of the geometrical sizes of a withdrawal and resource of cylindrical tanks are transferred for practical introduction in Open Company "Shymkent Оktan" for the usage in technical calculations and forecasting of the residual resource of tanks. The established meanings of factor of job conditions of the tank with imperfections of welded connection as a withdrawal of the welded seam are transferred Open Company "Engineering Company "Kazgyproneftetrans"" for perfection BN RK 3.05-24-2004 in a part "Calculation of tank designs". The general economic benefit of introduction of results has made 2 889 000 tenge.

Recommendations for introduction of work results. The techniques of the estimation tense-deformed condition of the wall with geometrical imperfections as a withdrawal of the joint of welded connection, establishment of the geometrical sizes of imperfections and resource of the vertical cylindrical tank with defects as a withdrawal of the joint can be recommended to the scientific, engineer-technical workers of various industries, design and research institutes for perfection of methods of calculation and designing of vertical cylindrical tanks, for university teachers by teaching the subject “Calculation and designing of metal construction”.

Application area . The results received in the work, can find application in oil and oil refining, power and chemical industries, and transport, where the vertical cylindrical tanks are widely used, and also in high schools by teaching a number of technical disciplines of a special course.

Economic efficiency or importance of the work. The results of the carried out researches allow reducing an accident rate and quantity of a non-staff situation during operation of vertical cylindrical tanks. The offered techniques of account, standardization of geometrical parameters of imperfection and resource of the tank allow more authentically analyzing of tanks work and optimum to pick up modes of operations, terms current and overhaul of the tank.

Forecast assumptions of development of object research. The offered methods of account for definition of pressure concentration in a zone of a withdrawal of the welded joint and formula for account of toughness and durability of tanks in view of local defects of welded connections as a withdrawal of the joint, the techniques of standardization of the geometrical sizes of imperfections and resource of the tank of the vertical cylindrical tank with defects as a withdrawal of the welded seam can find application at calculating and designing of a various class of cylindrical environments.

Подписано в печать 26.06.2010г.

Формат 60-84 1/16. Бумага ксероксная

Заказ №1765. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз.

Издательский центр Южно-Казахстанского государственного университета

им. М.Ауезова. г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5