УДК 539.4:624.014.2 На правах рукописи

УДК 539.4:624.014.2
На правах рукописи
АБИЛДАБЕКОВ АРМАН АХМЕТБЕКОВИЧ
Оценка напряженно-деформированного состояния и малоцикловой
усталости узла врезки люка-лаза в стенку вертикального цилиндрического
резервуара
01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры,
01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела
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
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Айнабеков А.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Немеребаев М.Н.
кандидат технических наук, доцент
Кейкиманова М.
Ведущая организация:
Казахстанско – Британский технический
университет
Защита состоится
27 августа 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, в ауд.342 главного корпуса.
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ЮжноКазахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу:
160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана 5, каб. 215.
Автореферат разослан «___» июня 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 14.23.01
доктор технических наук, профессор:
А.А.Волненко
2
Введение
Общая характеристика работы. Ежегодный рост добычи и переработки
нефти, увеличение его удельного веса в топливно-энергетическом балансе
страны, в экспортных поставках на международные рынки, увеличение объемов
их хранения предопределили высокие темпы строительства вертикальных
цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
В связи с этим совершенствование методов и методик расчета и
проектирования, разработка экономически оправданных решений требует
проведения комплекса научных исследований, одной из проблем которых
посвящено настоящее исследование.
В основу работы положен комплекс исследований, направленных на
изучение действительной работы узла врезки люка-лаза в стенку резервуара и
оценку прочности и долговечности с учетом концентрации напряжений в
элементах узла.
Актуальность темы. Статистика случаев аварии и разрушений резервуаров
свидетельствует о том, что наиболее вероятными местами зарождения и
развития разрушений являются концентраторы напряжений. Среди
концентраторов напряжений в отдельную группу можно выделить локальные
врезки и технологические проемы в стенке резервуара. Анализ отказов
резервуаров указывает на то, что пренебрежение опасностью, которую
представляет концентрация напряжений в зоне врезки люка-лаза и ввода
трубопроводов без соответствующего научного обоснования, может привести к
увеличению числа аварий.
Применительно к зонам врезок резервуаров действующие нормы по
проектированию стальных вертикальных цилиндрических резервуаров
отдельно
не
регламентируют
вопросы
определения
напряженнодеформированного состояния элементов усиления врезки люка-лаза. Общие
положения
норм
допускают
применение
элементов
конструкции
установленных геометрических размеров и конструктивных решений. Это
приводит к значительным погрешностям, так как возможному разрушению
конструктивных элементов могут способствовать особенности эксплуатации,
механические характеристики материалов, накопление повреждений и
концентрация напряжений в элементах конструкций.
Вместе с тем, в действующих нормативных документах и методах расчета
на прочность элементов узла врезки люка-лаза в стенку резервуара
количественно не учтен самый важный и решающий фактор- концентрация
напряжений в элементах усиления зоны врезки.
В тоже время характер повреждений резервуаров свидетельствует о
необходимости проведения расчета на малоцикловую усталость резервуара в
целом, а также элементов конструкций и узлов с учетом концентрации
напряжений, в частности.
В связи с этим, исследования, направленные на изучение действительной
работы зоны врезки люка-лаза и ввода трубопроводов в стенку резервуара,
основанное на анализе напряженно-деформированного состояния элементов
конструкций и исследовании малоцикловой усталости с учетом концентраций
3
напряжений в зоне врезки, является весьма актуальной задачей, так как тесно
связаны с вопросами повышения прочности и долговечности резервуарных
конструкции.
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 экспериментальные и теоретические исследования
работы узла врезки люка-лаза в стенку резервуара при эксплуатационных
нагрузках и разработка на ее основе методик оценки прочности и
долговечности с учетом концентрации напряжений в зоне врезки.
В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие
научные задачи:
- на основе анализа и обобщения литературных данных изучены характерные
причины снижения эксплуатационной прочности и долговечности резервуаров,
существующие методы расчета, конструктивные решения узла врезки люкалаза в стенку резервуара, нормативные документы, регламентирующие
проектирование узла врезки;
- проведены теоретические исследования концентрации напряжений в
элементах конструкций узла врезки люка-лаза и получены формулы
определения напряжений в стенках резервуара и люка-лаза;
-проведены экспериментальные исследования по выявлению распределения
напряжений в элементах конструкции моделей фрагмента узла врезки люкалаза в стенку резервуара различных конструктивных решений и натурной
конструкции резервуара;
- исследована малоцикловая усталость резервуара с учетом концентрации
напряжений в зоне врезки люка-лаза в стенку резервуара и разработана
методика оценки остаточного ресурса резервуара по критерию малоцикловой
усталости стенки в зоне врезки;
- разработана методика прочностного расчета по предельным состояниям и
оптимального проектирования элементов узла врезки с учетом концентрации
напряжений в элементах конструкций;
- разработано конструктивное решение узла врезки люка-лаза в стенку
резервуара, обеспечивающее снижение концентрации напряжений и
равнопрочность элементов усиления узла.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе теоретических
и экспериментальных исследований разработаны основы оценки прочности и
долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров с учетом
концентрации напряжений в зоне врезки люка-лаза в стенку резервуара.
При этом по специальности 01.02.06-Динамика, прочность машин, приборов
и аппаратуры:
- на основе теории малоцикловой прочности тонкостенных оболочек оценена
малоцикловая усталость резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне
врезки;
4
- на основе условия не возникновения трещины в конструкции резервуара с
учетом концентрации напряжений в зоне врезки оценен ресурс резервуара;
-предложены методики оценки долговечности резервуаров и оптимального
выбора геометрических размеров элементов усиления зоны врезки люка-лаза
основанные на уравнениях малоцикловой усталости тонкостенных оболочек;
- разработано, теоретически и экспериментально обосновано новое
конструктивное решение усиления узла врезки люка-лаза в стенку резервуара,
обеспечивающее снижение концентрации напряжений и равнопрочность
элементов узла врезки, а также долговечность резервуара в целом.
По специальности 01.02.04-Механика деформируемого твердого тела:
-решением уравнений равновесия тонкостенной цилиндрической оболочки,
ослабленной круговым отверстием, получены формулы для определения
кольцевых, меридиональных и касательных напряжений в стенках резервуара и
люка-лаза и теоретически оценено напряженно-деформированное состояние
элементов усиления зоны врезки люка-лаза в стенку резервуара;
-испытаниями моделей фрагмента узла врезки различных конструктивных
решений, натурной конструкции резервуара оценена концентрация напряжений
в зоне врезки и элементах конструкций узла врезки.
Научные положения, выносимые на защиту: по специальности 01.02.06Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры:
- рекомендации по учету концентрации напряжений в зоне врезки люка-лаза в
стенку в расчетах малоцикловой усталости и оценки ресурса резервуара;
- методики оценки малоцикловой усталости и выбора оптимальных толщин,
усиливающих элементы узла врезки люка-лаза в стенку резервуара,
основанного на равнопрочности узла врезки;
-новое конструктивное решение усиления узла врезки люка-лаза в стенку
резервуара, обеспечивающее снижение концентрации напряжений и
равнопрочность узла.
По специальности 01.02.04-Механика деформируемого твердого тела:
- аналитические зависимости определения напряжений в элементах узла врезки
люка-лаза в стенку резервуара;
-результаты экспериментальной оценки напряженно-деформированного
состояния и концентрации напряжений в зоне узла врезки различных
конструктивных решений.
Практическая значимость работы по специальности 01.02.06- Динамика,
прочность машин, приборов и аппаратуры заключается в предложенной
методике расчета долговечности резервуара, позволяющей учесть в расчетах
концентрацию напряжений в зоне врезки. Методика оптимального выбора
толщин усиливающих элементов, основана на равнопрочности узла врезки
люка-лаза в стенку резервуара, и позволяет на уровне проектного решения узла
выбрать оптимальное конструктивное решение усиливающих элементов.
По специальности 01.02.04- Механика деформируемого твердого тела
получены формулы определения напряжений в зоне врезки и разработаны
рекомендации по расчету прочности, определению коэффициента условия
работы при концентрациях напряжений, которые могут быть использованы для
5
совершенствования нормативных документов на проектирование, изготовление
и монтаж вертикальных цилиндрических резервуаров.
Разработанное конструктивное решение усиления узла врезки люка-лаза в
стенку резервуара позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне
соединения, обеспечивает равнопрочность и оптимальное распределение
напряжений в элементах конструкций, что повышает надежность и
безопасность резервуарной конструкции в целом.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
обусловлена использованием фундаментальных законов механики, теории
упругости и пластичности, математически корректной постановкой задач и
получением решений на основе строгих аналитических методов,
удовлетворительной сходимостью конечных результатов с известными в
литературе данными, применением стандартных методик проведения
испытаний моделей и натурных конструкций, использованием классической
теории механического подобия и моделирования конструкций.
Практическая реализация результатов работы. Результаты работы
внедрены в ТОО «Юсталькон» и ТОО «Шымкент Октан» с общим
экономическим эффектом 5,3 млн. тенге и применяются при расчете и
проектировании цилиндрических резервуаров.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены
на международных научных и научно-практических конференциях: «М. Ауезов
– гений нового времени» (г. Шымкент, 2007г), «Ауезовские чтения-8» (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, 2010г).
Основная часть
Во введении дана оценка современного состояния научной задачи,
исходные данные для разработки темы, обоснование необходимости
проведения настоящих исследовании, сведения о метрологическом
обеспечении исследования, обоснована актуальность, научная новизна темы и
ее связь с другими научно-исследовательскими темами, сформулированы цель
и задачи исследования, отражены научные положения, выносимые на защиту,
практическая значимость и степень реализации результатов работы,
обоснованность и достоверность научных положений, сформулированных в
диссертационной работе.
В первом разделе приведен обзор современного состояния
проектирования, расчета и особенностей работы конструкций вертикальных
цилиндрических резервуаров при эксплуатационных нагрузках.
Анализ причин аварий резервуаров показывает, что их разрушение, как
правило, вызывает зарождение трещины разрушения в местах концентрации
напряжений, к которым отнесены зоны приварки технологических
трубопроводов, врезки люка-лаза и технологических проемов.
6
Анализ норм проектирования Казахстана и стран СНГ, определяющих
политику в резервуаростроении, показывает идентичность в требованиях к
материалам и конструктивным элементам усиления узла врезки. Отмечено, что
все рассмотренные нормы указывают на необходимость усиления и снижения
концентрации напряжений в зоне врезки. Конструктивные решения,
предлагаемые нормами проектирования резервуаров, и конструктивные
размеры элементов их усиления подобраны на основе интуитивного
представления конструктора, а не на теоретической и экспериментально
обоснованной методике расчета и проектирования. Указано, что отечественная
норма на проектирование, изготовление и монтаж резервуаров отдельно не
регламентирует
вопросы
определения
и
оценки
напряженнодеформированного состояния зоны врезки люка-лаза и оптимального
конструирования их элементов.
Являются несовершенными и требуют пересмотра нормативные значения
коэффициента условия работы, которые должны учитывать как концентрацию
напряжений в элементах конструкций, так и повторно - переменность нагрузки
на резервуар.
Значительная концентрация напряжений в зоне врезки люка-лаза, а также
значительные частоты слива и налива продукта могут привести к значительным
размахам напряжений в стенках резервуара и патрубка люка-лаза, и появлению
сквозных трещин усталостного характера, что необходимо учитывать при
расчете и проектировании.
Обзор работ, посвященных исследованиям малоцикловой усталости
резервуаров показал, что расчет долговечности резервуаров с учетом
концентрации напряжений в зоне узла врезки люка-лаза до сих пор не
производится, что объясняется отсутствием данных о действительной
нагруженности и распределении напряжений в указанной зоне.
По результатам проведенного обзора сформулированы цель и задачи
исследования.
Во втором разделе работы обсуждаются результаты теоретического
исследования напряженно-деформированного состояния и концентрации
напряжений в зоне врезки люка-лаза в стенку резервуара.
Рассмотрено решение дифференциального уравнения равновесия
цилиндрической оболочки, ослабленной круговым отверстием.
Задача решена на основе технической моментной теорий оболочек,
описываемой дифференциальным уравнением:

 8   12 1  
2
R
2
2
 4 R 4 .

p
 4
D
(1)
Практически задача сведена к интегрированию следующего однородного
уравнения
2
 4
2 R
(2)
 8   121    2
 0.
4
 
7
Разрешающие функции для стенок оболочки и патрубка получены в виде
суммы частных интегралов интегрированием уравнения (2). С учетом того, что
концентрация напряжения по мере удаления от линии сопряжения оболочек
быстро затухают в осевых направлениях и плавно уменьшаются в кольцевых
направлениях и учитывая, что такому характеру затухания соответствуют
усилия и моменты конструкций, выраженные частными интегралами при
больших корнях характеристических уравнений, получены следующие
выражения для усилии и моментов:
для стенки оболочки
s  K1s a1 p R1 f  e  2 R1  1 sin 2 ;
M  K1M a1 p t   e  2 R1 1 ; M   K 2 M M  ;
(4)
N   pR1 / 2 , N   pR1  K 1N pR1 a 2 f  e  2 R1  1 ;
для патрубка
s  K1s a1 pR2 f  e  R1 1  2 sin 2 ;
m  K1M b1 pR2 f  e 
R11 cos   0,136 sin  ;
m  K 2 M m ; n  pR2  K1N pR1b2 f  e 
(5)
R11 /  2 ;
n  pR 2 / 2 .
Меридиальные, кольцевые и касательные напряжения в наружных и
внутренних точках стенок оболочки и патрубка определены по известным
формулам тонкостенных сосудов:
1 
N1


S
N
6M
6M 1 ;
2  2  22 ;   .
2




(6)
На основе полученных формул разработаны алгоритм и программа на
языке TURBO PASKAL и проведены расчетные эксперименты резервуара
объемом 3000м3 , изготовленного по ТП-704-1.168.84.
В третьем разделе приведены результаты экспериментальных
исследований напряженно-деформированного состояния и концентрации
напряжений в зоне врезки на моделях и конструкций натурного резервуара.
Описана методика проведения эксперимента.
Выбор геометрических размеров модели произведено путем масштабного
преобразования уравнений безмоментной теории оболочек, на основе афинно –
подобного моделирования, с использованием метода анализа размерностей
физических величин.
Для оценки напряженно-деформированного состояния элементов узла
врезки люка-лаза были изготовлены три модели фрагмента: модель А - без
усиливающих элементов, модель Б - по
конструктивному решению
рекомендованному СН РК, модель В - с дополнительными усиливающими
элементами.
Модели представляют собой фрагмент узла сопряжения люка-лаза со стенкой
резервуара, выполненые в масштабе 1:10, с общими габаритными размерами
8
375х400 мм, которые собиралась из листов органического листа толщиной 2мм.
Радиус усиливающего листа 159мм, радиус патрубка врезки 79мм.
Общий вид фрагмента узла, представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Общий вид модели, подготовленной к испытаниям
Исследование напряженно-деформированного состояния элементов узла
врезки осуществлялось тензометрическими средствами измерения.
В качестве измерительной аппаратуры был принят автоматический
измеритель деформации АИД-4 с автоматическим уравновешиванием мостов
(полумостов) в комплекте с автоматическим переключателем АП-1.
При проведении экспериментов учитывались и моделировались следующие
нагрузки: - вертикальная нагрузка на стенку от веса крыши, находящего на нем
оборудования и снега, которая создавалась гидравлическим прессом П-125;
- нагрузка от гидростатического давления хранимой жидкости, которая
имитировалась системой домкратов.
В качестве первичных преобразователей при измерении относительных
деформации применены тензодатчики на бумажной основе типа ПКБ с базой
10мм. Регистрирующей аппаратурой служил автоматический измеритель
деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП-1.
Объектом натурных испытаний выбран вертикальный цилиндрический
резервуар для светлых нефтепродуктов объемом 3000м3, изготовленный по
типовому проекту ТП-704-1-167.84 ТОО «Юсталькон». Регистрирующей
аппаратурой служили тензометрический комплекс ЦТМ-5, автоматический
измеритель деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП 1. В
экспериментах были использованы водостойкие фольговые тензодатчики типа
2ФКПа-10-100-В базой 10мм.
Анализ эпюр напряжений, построенных на основе экспериментальных
исследований и расчета, в соответствии с рисунком 3, позволили сделать
следующие выводы:
по модели А: -напряженное состояние, возникающее в области пересечения
оболочек, имеет локальный характер и отличается высоким уровнем местных
напряжений в зоне близкой к линии сопряжения оболочек;
9
32
32
24
16
0°
30°
60°
90°
28
Ì Ï à
40
24
2ð,
0°
30°
60°
90°
20
Í àï ðÿæåí èå
Í àï ðÿæåí èå
2ð,
Ì Ï à
48
16
12
8
4
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
-2
8
-6
0
0,2
2
4
6
8
10
Êî î ðäèí àòû ðàññì àòðèâàåì û õ òî ÷åê
- 10
12
 , ñì
Êî î ðäèí àòû ðàññì àòðèâàåì û õ òî ÷åê
 , ñì
Рисунок 3- Эпюры кольцевых напряжений в наружных точках а) стенки
оболочки б) патрубка в модели А
-эпюры меридиональных напряжений в наиболее напряженных точках в
области 0    90 0 и кольцевых напряжений в наружных точках стенки
оболочки в области 0    30 0 с погрешностью 5-10% почти сливаются в
одну, что свидетельствует о напряженном состоянии в этих областях близких
напряженному состоянию осесимметричных оболочек;
-меридиональные напряжения в наружных точках стенки оболочки в области
близкой к сопряжению в 1,8-2,0 раза выше, чем во внутренних точках, а
кольцевые –в 2,0-2,4 раза;
-наблюдается неравномерное распределение напряжений в стенке оболочки и в
стенке патрубка люка-лаза: доля напряжений приходящая на стенку патрубка
составляет 62%, а на долю стенки оболочки-38%.
По модели Б: -высокая степень концентрации напряжений характерна
лишь в узкой зоне вблизи линии сопряжения, которые быстро затухают при
удалении от нее до уровня, соответствующего основному напряженному
состоянию, что свидетельствует о целесообразности использования локального,
зонного усилия стенки резервуара;
-анализ эпюр напряжений в стенке резервуара при усилении его накладкой
показал, что меридиональные напряжения в сечении у сопряжения с патрубком
люка-лаза уменьшились в наружных точках в 2,2…2,4 раза, а кольцевые
напряжения в тех же точках 1,8…2,0 раза;
-установлено приблизительно одинаковые значения меридиональных и
кольцевых напряжений в области 0    60 0 и координатах 0,2  x  0,9 .
-доля меридиональных напряжений, воспринимаемых стенкой резервуара
составила - 35...28%, патрубка люка-лаза - 65...72%, доля кольцевых
напряжений, воспринимаемых стенкой оболочки, составила 35...32%, патрубка
люка-лаза -65...68 %;
10
-уменьшение кольцевых напряжений в стенке патрубка люка-лаза по
сравнению с вариантом без усиления составила 1,2...1,3
раза, а
меридиональных напряжении 1,3...1,4 раза.
-доля меридиональных напряжений, воспринимаемых усиленной стенкой
оболочки, составила 37...35%, патрубка люка-лаза - 63-65%, а доля кольцевых
напряжений, воспринимаемых стенкой оболочки составила 33...31%, патрубка
люка-лаза- 67-69%.
По модели В: -дополнительное усиление патрубка люка-лаза в зоне
сопряжения со стенкой оболочки приводит к резкому снижению кольцевых (в
1,8…2,2 раза) и меридиональных напряжений (1,6…2,0 раза) в стенке патрубка;
- в сопряжениях стенки оболочки с патрубком люка-лаза в точке ω=00
кольцевые напряжения составили в стенке – 21,0 МПа, а в стенке патрубка 16,0
МПа, что составляет в долях соответственно 57% и 43%, меридиональные
напряжения в стенке оболочки составили 24,5 МПа, а в стенке патрубка 18,2
МПа, что в долях составили соответственно 56% и 44%;
-по сравнению с вариантом без усиления напряжения в точках сопряжения
значительно снизились: кольцевые напряжения в стенке оболочки в наружных
точках в 1.6-2.4 раза, во внутренних точках - в 1.8-2.4 раза; в стенке патрубка
люка-лаза в наружных точках в - 1.6-2.3 раза, во внутренних точках - в 1.4-2.6
раза; меридиональных напряжений: в стенке оболочки в наружных точках - в
1.7-2.2 раза, во внутренних точках - в 1.4-2.4 раза, в стенке патрубка люка-лаза
в наружных точках - в 2-2.2 раза, во внутренних точках - в 1.8-2.5 раза;
-амплитуда разброса напряжений в элементах усиления снизилась, длина
области влияния концентрации напряжений уменьшилась до 2,5…3 раз.
В четвертом разделе работы исследуется малоцикловая усталость
резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне врезки люка-лаза.
Основываясь на методике расчета малоцикловой усталости сосудов и
аппаратов с учетом концентрации напряжений, оценена долговечность
резервуаров с учетом концентрации напряжений в зоне врезки.
Для определения расчетного числа циклов N до зарождения усталостной
трещины использовано следующее выражение:


 1C / E
1
100
 a  2
ln


0,5


 4 N  (1  r ) /(1  r ) (100   )  1  ( 1C /  в )(1  r ) /(1  r )
(8)
На основе методики расчета малоцикловой усталости тонкостенных
оболочек произведены серии расчетов долговечности вертикальных
цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов различных объемов с
учетом концентрации напряжений в зоне врезки люка-лаза, результаты
которого приведены в таблице 2.
Анализ полученных результатов показывает, что концентрация напряжений
в зоне врезки люка-лаза значительно влияет на долговечность резервуаров. С
увеличением концентрации напряжений в узле возрастает вероятность
появления трещин усталости и разрушения резервуара.
11
Таблица 2 – Долговечность вертикальных цилиндрических резервуаров с
учетом концентрации напряжений в зоне врезки люка-лаза в стенку
Объем
Диаметр Диаметр
резервуара, резервуара люкам3
мм
лаза, мм
Толщина
стенки
резервуара
P
tCT
, мм
Толщина
стенки
люка-лаза
ПАТ
tCT
,мм
Коэффициент
Амплитуда
Расчетный
концентрации деформации,
ресурс N , в
напряжений в
а
циклах
зоне врезки
3,53
0,00308
13030
630
8,0
16860
3,16
0,00276
12370
3,60
0,00315
5000
22810
10,0
16300
3,20
0,00280
3,66
0,00320
11930
820
10,0
13030
3,53
0,00308
14410
3,37
0,00295
3,09
0,00282
16020
630
10,0
14880
3,20
0,00291
18740
2,90
0,00264
10000
28500
12,0
2,94
0,00268
18080
820
12,0
21990
2,71
0,00247
19790
2,83
0,00258
Примечание: Величины долговечности меньшие чем, 20000 циклов выделены полужирным шрифтом.
В связи с необходимостью установления и обоснования численных
значений коэффициента условий работы применительно к узлу врезки люкалаза
рассмотрена
возможность
уточнения
нормативных
значении
коэффициента условия работы.
На основе анализа, установленных значений коэффициента условия
работы, предложена для внедрения в нормы структура и нормируемые значения
коэффициента условий работы в виде таблицы 3.
В пятом разделе работы обсуждаются вопросы порядка проведения
расчетов прочности и долговечности резервуаров с учетом концентрации
напряжений в зоне врезки.
Таблица 3 - Нормируемые значения коэффициента условий работы  с
Объем резервуара,Диаметр люка-лаза, мм Коэффициент условий работы  c при
м3
расчетах стенки
резервуара
люка-лаза
3 000
5 000
10 000
630
820
820
630
820
0,80
0,75
0,70
0,70
0,75
0,80
0,85
0,80
0,75
0,75
Учитывая неравномерное распределение кольцевых и меридиональных
напряжений в стенках резервуара и патрубка люка-лаза, рассматривается
решение оптимизационной задачи, в которой в качестве критерия оптимизации
выбрано условие равнопрочности элементов узла врезки.
12
Основной смысл указанной задачи заключается в подборе толщин
элементов усиления стенки резервуара и патрубка люка-лаза с целью
получения равнонагруженного узла.
На основе предложенного алгоритма разработана программа расчета на
языке PASKAL и произведены расчеты типовых конструкций существующего
ряда вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов,
и получены оптимальные, с точки зрения равнопрочности узла врезки, значения
толщин усиливающих элементов.
В разделе обсуждаются также технологические мероприятия,
направленных на снижение влияния концентрации напряжений на напряженнодеформированное состояние
элементов узла врезки и обоснована
эффективность применения нового конструктивного решения узла врезки с
дополнительным усиливающим элементом в стенке люка-лаза.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов
исследования в ТОО «Юсталькон» и ТОО «Шымкент Октан» составил 5,3 млн.
тенге.
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационного исследования:
1. На основе технической моментной теории оболочек решена задача
равновесия цилиндрических оболочек, ослабленных отверстием, и в замкнутом
виде определены разрешающие функции, усилия и моменты в конструкции,
сформулированы граничные условия задачи для определения постоянных
интегрирования.
2. Получены формулы для расчета напряжений в зоне соединения оболочки
с патрубком и оценено напряженное состояние зоны врезки люка-лаза в стенку
натурного резервуара объемом 3000м3. Составлены алгоритм решения и
программа расчета на языке TURBO PASKAL.
3. Испытаниями моделей фрагмента узла врезки без усиления, с
дополнительным усилением и по конструктивному решению СН РК, а также
натурной конструкции резервуара изучено распределение напряжений в зоне
врезки. Установлено, что напряженное состояние зоны врезки имеет локальный
характер с высоким уровнем действующих напряжений ближе к линии
сопряжения оболочки с патрубком. Наиболее нагруженными являются точки
внешней поверхности оболочек, где меридиональные напряжения в 1,8-2,0 раза,
а кольцевые -2,0-2,4 раза выше, чем во внутренних точках.
4. Локальное усиление зоны врезки по конструктивному решению,
рекомендованному СН РК, приводит к уменьшению меридиональных
напряжений в стенке оболочки в 2,2…2,4 раза, а кольцевых в тех же точках в
1,8…2,0 раза. Доля меридиональных напряжений воспринимаемых стенкой
оболочки составила 35…28%, патрубком люка-лаза 65…72%, а доля кольцевых
напряжений 35…32%, 65…68%, соответственно. Уменьшение кольцевых
напряжений в стенке патрубка люка-лаза по сравнению с вариантом без
усиления составила 1,2…1,3 раза, а меридиональных напряжений 1.3…1,4 раза.
13
5. Дополнительное усиление стенки патрубка люка-лаза приводит к
значительному снижению напряжений в стенке (меридиональных 1,6…2,0 раза,
кольцевых 1,8…2,2 раза), уменьшению амплитуды разброса значении
напряжений в узле и длины области влияния концентрации напряжений.
Доля кольцевых напряжений, воспринимаемых стенкой оболочки и
патрубка, составили 57% и 43%, а меридиональных напряжений 56% и 44%,
соответственно.
6. На основе методики расчета малоцикловой усталости тонкостенных
оболочек оценена долговечность резервуара с учетом концентрации
напряжений в зоне врезки. Обоснована необходимость проведения расчетов
долговечности и ее зависимость от уровня концентрации напряжений в
элементах узла. Определены значения коэффициента условий работы и
показана возможность нормирования их значений для типовых конструкций
резервуаров.
7. Описан порядок проведения инженерных расчетов прочности и
долговечности резервуара с учетом концентраций напряжений в элементах узла
врезки. Разработана методика выбора оптимальных толщин элементов
усиления стенок резервуара и патрубка, основанного на условии
равнопрочности узла. Составлен алгоритм и разработана программа выбора
оптимальных толщин усиливающих элементов и вычислены их значения для
существующего типового ряда резервуаров. Предложены технологические
мероприятия и новое конструктивное решение узла, позволяющие снизить
влияние концентрации напряжений в элементах на работу узла врезки.
Оценка полноты решений поставленных задач. В работе
проанализированы и обобщены данные о причинах разрушения резервуаров, о
напряженно-деформированном состоянии зоны врезки в цилиндрических
оболочках, особенностях проектирования, прочностного расчета и расчета на
малоцикловую усталость оболочек, проведены теоретические исследования
напряженно-деформированного состояния и концентрации напряжений в
области врезки люка-лаза, проведены экспериментальные исследования модели
фрагмента узла врезки и конструкций натурного резервуара, оценена
долговечность резервуара, установлены нормативные значения коэффициента
условия работы для типового ряда резервуаров, разработаны конструктивные
мероприятия по снижению концентрации в зоне врезки.
Результаты исследования доведены до внедрения в производство, что
подтверждает обоснованность разработанных методов и методик расчета,
предложенных технологических и конструктивных решений.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному
использованию результатов. Методики прочностного расчета и расчета
долговечности резервара,
полученные значения коэффициента условий
работы, предложенные технологические мероприятия и разработанное
конструктивное решение могут быть использованы инженерно-техническими
работниками
различных
отраслей
промышленности,
научноисследовательскими и проектными организациями при проектировании
14
вертикальных цилиндрических резервуаров с целью повышения эффективности
работы, повышения надежности и долговечности.
Исходными данными по использованию результатов исследования
являются типовые конструктивные решения вертикальных цилиндрических
резервуаров, методы расчета на статические и динамические воздействия,
существующие нормативно-технические документы и эксплуатационные
параметры вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и
нефтепродуктов.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Общий
экономический эффект от внедрения в производство результатов
диссертационной работы в ТОО «Юсталькон» и в ТОО «Шымкент Октан»
составил 5,3 млн. тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими
достижениями в данной области. По результатам теоретической части работы
получены формулы, позволяющие достоверно оценить напряженнодеформированное состояние элементов узла врезки, и которые обоснованы
экспериментальными исследованиями моделей и натурной конструкции
резервуара.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили
впервые выявить количественные значения коэффициента концентрации
напряжений, а также определить нормируемые значения
коэффициента
условия работы с учетом концентрации напряжений в элементах узла врезки
для существующих типоразмеров резервуаров.
Впервые предложены технологические
мероприятия и
новое
конструктивное решение по снижению концентрации напряжений в элементах
узла врезки.
Условные обозначения: R1 , R2 - радиусы оболочки (резервуара) и патрубка
(люка-лаза), м ;  1 ,  2 - толщины стенки оболочки (резервуара) и патрубка
(люка-лаза), м ; S , s , N, n - усилия соответственно, в сечениях оболочки и
патрубка, Н ; M , m - моменты в сечениях оболочки и патрубка, Н  м ;
p  давление в оболочке, МПа ;  - угловые относительные координаты точек
обечайки и люка-лаза; N - число циклов до разрушения;;  a -амплитуда
интенсивности деформации; K  - коэффициент концентрации напряжений;
 1С - предел усталости, МПа ;  В - предел временного сопротивления, МПа .
Список опубликованных работ по теме диссертации
1
Сулейменов
У.С.,
Ешимбетов
Ш.Т.,
Абильдабеков
А.А.
Экспериментальные исследования распределения напряжений в зоне врезки
люка-лаза в стенку вертикального цилиндрического резервуара // Труды
Междунар. научно-практич. конфер. «М. Ауезов – гений нового времени».–
Шымкент, 2007. – С.75-79.
15
2 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абильдабеков А.А. К расчету
элементов усиления узла врезки трубопроводов в стенку вертикального
цилиндрического резервуара // Проблемы архитектуры и строительства. –
Самарканд, 2008. - №1. –С.32-35.
3 Айнабеков А.И.,Сулейменов У.С., Абилдабеков А.А. Напряженное
состояние элементов узла врезки люка в стенку вертикального
цилиндрического резервуара // Труды Междунар. научно-практич. конфер.
«Ауезовские чтения - 8». – Шымкент, 2009. – С.227-230.
4 Айнабеков А.И.,Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Абилдабеков А.А.
Напряженно-деформированное
состояние
стенки
вертикального
цилиндрического резервуара в зоне врезки люка-лаза // Механика и
моделирование процессов технологии. – Тараз, 2009. - №2. - С. 278-283.
5 Айнабеков А.И.,Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Абилдабеков А.А.
Оценка
напряженно-деформированного состояния и концентрации
напряжений в узле врезки люка-лаза в стенку вертикального цилиндрического
резервуара объемом 3000м3 // Механика и моделирование процессов
технологии. – Тараз, 2009. - №2. - С. 219-222.
6 Айнабеков А.И.,Сулейменов У.С., Абилдабеков А.А. Инженерный метод
оценки напряженно-деформированного состояния конструкций узла врезки
люка-лаза в стенку резервуара // Наука и образование Южного Казахстана. –
Шымкент, 2009. - №7(14). -С.60-65.
7 Мырхалыков Ж.У., Осжигиов К.С., Абилдабеков А.А. Результаты
натурных и модельных испытаний зоны врезки люка-лаза в стенку
вертикального цилиндрического резервуара // Наука и образование Южного
Казахстана. – Шымкент, 2009. - №7(14). -С.60-65.
8 Айнабеков А.И.,Сулейменов У.С., Абилдабеков А.А. Экспериментальное
исследование напряженно-деформированного состояния элементов узла врезки
люка-лаза в стенку вертикального цилиндрического резервуара // Труды
третьей междунар. научно-практич. конфер. «Проблемы инновационного
развития нефтегазовой индустрии». - Алматы, 2010. – С. 48-51
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 концентрации
напряжений в элементах конструкций // Труды Междунар. научно-практич.
конфер. посвещенной 75-летию Айталиева Ш.М. – Алматы, 2010. – С.205-208.
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 статьей V-Междунар. научно-практич.
конфер. «Управление качеством в современной организации».–Пенза, 2010. –
С.3-6.
11 Айнабеков А.И., Ешимбетов Ш.Т., Абилдабеков А.А. Инженерный метод
расчета элементов конструкции узла врезки люка-лаза в стенку вертикального
цилиндрического резервуара // Наука и образование Южного Казахстана. –
Шымкент, 2010. -№ 4 (11). -С.6-12.
16
Әбілдабеков Арман Ахметбекұлы
«Тік цилиндрлі резервуарлар қабырғасына люк-лазды ендіру түйінінің
кернеулену-деформациялану күйі мен аз циклді қажуын бағалау»
01.02.06 - Машиналардың, аспаптардың және аппаратуралардың динамикасы,
беріктігі және 01.02.04 –Деформацияланатын қатты дене механикасы
мамандықтары бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін
алуға арналған диссертацияға
ТҰЖЫРЫМ
Зерттеу нысаны. Мұнай және мұнай өнімдерін сақтауға арналған тік
цилиндрлі болат резервуарлары.
Жұмыстың мақсаты. Тік цилиндрлі резервуарлар қабырғасына люк-лазды
ендіру түйінінің жұмысын эксплуатациялық жағыдайда теориялық және
тәжірибелік зерттеу және олардың нәтижелері бойынша түйінде кернеулердің
шоғырлануын ескере резервуар беріктігі мен ұзақмерзімділігін бағалау
әдістемелерін жасау.
Жұмысты жүргізу тәсілдері мен әдістері. Тәжірибелік зерттеулер үлгі мен
натуралық резервуар конструкциясы арасындағы аффиндік ұқсастық негізінде
үлгіленген ойықты қабырғаның фрагментінде, сондай-ақ көлемі 3000м3 тік
цилиндрлі резервуар конструкциясында конструкцияларды сынаудың
стандартты әдістемелері негізінде жүргізілді. Теориялық зерттеулер моментті
қабықшалардың техникалық теориясы, серпімділік теориясы мен қолданбалы
механика негіздеріне сүйенген.
Жұмыстың нәтижелері: 01.02.06-Машиналардың, аспаптардың және
аппаратуралардың динамикасы, беріктігі мамандығы бойынша: -жұқа
қабырғалы қабықшалардың аз циклді беріктігі теориясы негізінде люк-лазды
ендіру түйініндегі кернеулердің шоғырлануын ескере аз циклді қажуы
бағаланды; -резервуар конструкциясында жарықшаның пайда болмауы
шартына сүйене және түйін аймағындағы кернеулердің шоғырлануы ескеріліп
резервуардың жұмыс қоры анықталды;- жұқа қабырғалы қабықшалардың аз
циклді қажуы теңдеулері негізінде резервуарлардың ұзақ мерзімділігін бағалау
және люк-лазды ендіру түйіні аймағын нығайту элементтерінің тиімді
геометриалық өлшемдерін анықтау әдістемелері ұсынылды; - теория және
тәжірибелік негіздеу арқылы түйін аймағында кернеулердің шоғырлану
деңгейін азайтатын, резервуардың
ұзақмерзімділігін өсіретін жаңа
конструкциялық шешім ұсынылды.
01.02.04-Деформацияланатын қатты дене механикасы мамандығы бойынша:
-шеңберлі ойықпен конструкциясы кемітілген цилиндрлі жұқа қабықшаның
тепетеңдігі теңдеулерін шешу арқылы резервуара және түтікше
қабырғаларындағы шеңберлік, меридиональдық және жанама кернеулерді
анықтайтын теңдеулер алынды және теория жүзінде резервуарлар қабырғасына
люк-лазды ендіру түйінінің кернеулену-деформациялану күйі бағаланды;
-әр түрлі конструкциялы шешімді люк-лазды ендіру түйіндерінің үлгілерін
және резервуар конструкциясын сынау арқылы түйін элементтеріндегі
кернеулердің шоғырлануы бағаланды.
17
Негізгі конструкциялық, технологиялық және техника экономикалық
сипаттамалар. Өткізілген зерттеулер нәтижелері бойынша жеткілікті
инженерлік дәлдікпен кернеулердің таралуын сипаттайтын және олардың
шоғырлануын бағалауға мүмкіндік беретін люк-лазды ендіру түйіні
аймағындағы кернеулерді анықтайтын теңдеулер алынды. Осы теңдеулер
негізінде есептемелерді жүзеге асыратын алгоритмдер мен бағдарлама
ұсынылды. Кернеулердің шоғырлануын ескере резервуардың ұзақмерзімділігі
мен жұмыстық қорын бағалауға арналған әдістемелер мен конструкциялық
және технологиялық шаралар ұсынылды.
Жұмыс нәтижелерін ендіру деңгейі. Диссертациялық зерттеулер нәтижелері
жалпы 5, 3 млн. теңге экономикалық тиімділікпен «Юсталькон» және
«Шымкент Октан» ЖШС-де ендірілді.
Енгізу ұсыныстары немесе ғылыми-зерттеу жұмысы нәтижелерін
енгізу қорытындылары. Кернеулердің люк-лазды ендіру аймағында
шоғырлануын ескере резервуардың беріктігі мен ұзақмерзімділігін есептеу
әдістемелері резервуарлардың ұзақмерзімділігі мен қалдық қорын болжау және
техникалық есептемелерді орындауға «Юсталькон» ЖШС-не берілді.
Ұсынылған формулар, алгоритмдер мен есептеу бағдарламалары түрлі
өнеркәсіп саласындағы ғылыми, инженерлік- техникалық қызметкерлеріне,
жобалау және ғылыми зерттеу институттарына тік цилиндрлі резервуарларды
жобалау және есептеу әдістемесін жетілдіру үшін ұсынылады.
Қолдану саласы. Зерттеулерде алынған нәтижелер тік цилиндрлі
резервуарларды кеңінен қолданатын мұнай және мұнайды өндеу, энергетика,
химиялық өнеркәсіп және транспорт салаларында, сонымен қатар жоғары оқу
орындарында бірқатар техникалық пәндерді оқытуда кеңінен қолданылуы
мүмкін.
Жұмыстың маңыздылығы мен экономикалық тиімділігі. Өткізілген
зерттеу
нәтижелері
экслуатациялық
жағыдайларда
тік
цилиндрлі
резервуарлардың люк-лазды ендіру аймағының кернеулену-деформациялану
күйін оның ішінде резервуардың беріктігі, ұзақмерзімділігін мен көтергіш
қабілетін шынайы бағалауға мүмкіндік береді. Ұсынылған резервуар беріктігін,
ұзақмерзімділігін және нығайту элементтердің тиімді өлшемдерді тағайындау
әдістемелері резервуардың шынайы жұмысын сипаттауға, тиімді жұмыс
режимін, күрделі және ағымдағы жөндеу жұмыстарын жүргізу мерзімін
тағайындауға мүмкіндік береді.
Зерттеу нысанын дамытудың жобалық болжамы. Резервуарлардың
ұзақмерзімділігі мен беріктігін есептеуге, нығайту элементтердің тиімді
геометриялық өлшемдерін таңдауға ұсынылған әдістемелер және кернеулердің
шоғырлануын кемітетін жаңа конструкциялық шешім әр-түрлі технологиялық
құбырларды, түтікшелер мен штуцерлерді ендіру мен технологиялық тесіктер
түйіндерінің кернеулену-деформациялану күйін анықтауда өз қолданысын
табады. Зерттеу нысаны түйіндер аймағында кернеулердің шоғырлануын
кеміту бағытында конструкциялық шешімдердің жаңа түрлерін жасауда және
резервуарларды жобалау мен құрылысын реттейтін нормативтік құжаттарды
жетілдіру бағыттарында дамытылуы мүмкін.
18
Abildabekov Arman Ahmetbekovich
The estimation of the intense-deformed condition and little cyclic weariness of
knot cutting the hatch-manhole in the wall of the vertical cylindrical tank
01.02.04 –Mechanics of deformed solid substances and 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 work purpose is experimental and theoretical researches of work of knot
cutting the hatch-manhole in the tank wall at operational loadings and working out on
the basis of its results of techniques of the estimation of durability and durability
taking into account concentration of pressure in the cutting zone .
Method and methodology of carrying out of work. Experimental researches
are tested on models of the fragment of knot cutting the hatch-manhole, simulated on
the basis of affine conformity between model and the natural design, and also on the
design of the vertical cylindrical tank in volume 3000м3 with application of standard
techniques of carrying out of tests of designs. Theoretical researches are tested with
use technical moment theories of covers, bases of the theory of elasticity, the applied
mechanics.
Results of work: according to the specialty 01.02.06 – Dynamic, durability, of
machines, devices and apparatus.
- It is estimated little cyclic weariness of tanks taking into account concentration of
pressure in the cutting zone;
- Design procedures of durability, durability of the tank and the optimum choice of
the geometrical sizes of elements of strengthening of the cutting zone are offered;
- On the basis of the condition of non-original cracks in the design of the tank taking
into account concentration of pressure in the cutting zone the tank resource is
estimated;
- It is developed, theoretically and the new constructive decision of strengthening of
knot cutting the hatch-manhole in the wall of the tank providing decrease of
concentration of pressure and even stability of elements of knot cutting, and also
durability of the tank as a whole is experimentally proved.
According to the specialty 01.02.04 – Mechanics of deformed solid body:
-The-decision of the equations of balance of the thin-walled cylindrical cover
weakened by the circular aperture, receives formulas for definition ring, meridian and
tangents of pressure in tank and hatch-manhole walls and the intense-deformed
condition of elements of strengthening of the cutting zone the hatch-manhole in the
tank wall is theoretically estimated;
-By-tests of models of the fragment of knot cutting various constructive decisions and
natural tank designs are estimated distribution concentration pressure in the cutting
zone and elements of designs of knot cutting;
The basic constructive, technological and technical-operational
characteristics. By results of the tested researches formulas of definition of pressure
19
in the cutting zone elements which allow with sufficient engineering accuracy to
describe distribution of pressure in elements of knot are received and to calculate
their concentration, and also algorithm and the program realizing calculation of knot
cutting. Recommendations according to the resource and durability of the tank taking
into account concentration of pressure are developed, constructive and technological
actions for their decrease are offered.
Introduction degree. Results of dissertational research are introduced in Open
Company "Yustalkon" and Open Company «Shymkent Oktan» with the general
economic benefit in the sum 5million 300 thousand tenges also are applied at
designing and building of vertical cylindrical tanks to oil and mineral oil.
Recommendations by introduction or results of introduction of research
work. Techniques of engineering calculation of durability and durability of the tank
taking into account concentration of pressure in knot cutting 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.
The received settlement formulas, the made algorithms and the developed
programs of calculation and optimum choice of thickness of elements of
strengthening 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 received 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 tested
researches allow to estimate more authentically the intense-deformed condition of
elements of knot cutting, and consequently durability and bearing ability of vertical
cylindrical tanks under operational conditions. The offered design procedures of
durability and durability, an optimum choice of thickness of strengthening elements
will allow to describe more authentically work of the tank and optimum to pick up
operating modes, terms flowing and tank major repairs.
Forecast assumptions of development object of research. The offered methods
of calculation of durability and durability, optimum designing of tanks, the
constructive decision on decrease in concentration of pressure in elements of designs
of knot cutting can be applied at designing of various cylindrical covers to the
estimation of the intense condition in the cutting zones technological pipelines,
branch pipes, unions and technological apertures. The object of research can be
developed in the direction of working out of new constructive decisions on decrease
in concentration of pressure in the cutting zone and perfection of existing norms of
designing.
Подписано в печать 26.06.2010г.
Формат 60-84 1/16. Бумага ксероксная
Заказ № 1766. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз.
Издательский центр Южно-Казахстанского государственного университета
им. М.Ауезова. г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5
20