НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Б А Р В І Н К О

Андрій Юрійович

УДК 621.791 (621.642.3 + 69.059.25)

ВІДНОВЛЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ВЕРТИКАЛЬНИХ МОНТАЖНИХ

З'ЄДНАНЬ СТІНКИ РУЛОНОВАНИХ РЕЗЕРВУАРІВ

Спеціальність 05.03.06

“Зварювання та споріднені технології”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Киів - 2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконувалась в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук

Білецький Семен Михайлович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Недосєка Анатолій Якович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ,

завідуючий відділом.

доктор технічних наук, професор

Гордеєв Вадим Миколайович

ВАТ “Український науково – дослідний і проектний

інститут сталевих конструкцій ім. В.М.Шимановського”,

заступник голови правління.

Провідна установа: Національний технічний Університет України

“Київський політехнічний інститут”, Міністерства

освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “_17_” _грудня_2003р. о 10 00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ – 150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково - технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Автореферат розісланий “_07_” __листопада__ 2003р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради,

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Під час відбудови зруйнованого війною народного господарства Радянського Союзу в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона в 1948 році під керівництвом Г.В.Раєвського було виконано важливу наукову роботу в галузі технології виробництва негабаритних зварних листових конструкцій, в результаті якої було створено новий метод спорудження резервуарів – метод рулонування.

Метод передбачав спорудження стінки і днища резервуарів із полотнищ, які виготовлялись на заводі шляхом зварювання окремих листів на спеціальній установці із застосуванням двостороннього автоматичного зварювання під флюсом. При цьому ширина полотнища дорівнювала висоті стінки резервуара, а набір листів відповідав її перетину по висоті. Полотнища згортали в рулони діаметром 2660 мм, що не перевищувало залізничний габарит, і доставляли на будівельний майданчик. Монтаж стінки резервуарів полягав у розгортанні рулонів на проектний радіус і зварюванні їх між собою вертикальними швами. Використання розробленого методу дозволило значно скоротити термін будівництва і забезпечити високу якість зварних швів на відміну від спорудження резервуарів із окремих листів при застосуванні тільки ручного зварювання. Наведені переваги дозволили методу рулонування за короткий термін, починаючи з 1954 року, практично повністю витіснити полистовий спосіб спорудження ємностей.

При розробці нового методу з метою покращання умов виготовлення полотнищ відмовилися від традиційного розташування вертикальних швів стінки врозбіг по поясах і перейшли до суміщених в одну лінію швів. На основі експериментальних досліджень геометричної форми стінки рулонованих резервуарів та міцності зварних з'єднань дійшли висновку про рівноміцність суміщених вертикальних монтажних з'єднань рядовій ділянці стінки зі стиковими швами врозбіг. На початковому етапі розвитку методу максимальна товщина стінки не перевищувала 8 мм (резервуари ємністю 4,6 тис. м3). При таких товщинах згортання рулонів і збирання вертикальних монтажних стиків відбувалося в пружній стадії. Це дозволяло під час монтажу без значних зусиль одержувати потрібну геометричну форму стінки. Споруджені резервуари працювали переважно в режимі статичного навантаження і досвід експлуатації повністю підтвердив їх високу надійність.

У 1960 – 1970 роки, зважаючи на отримані позитивні результати, метод рулонування був поширений на резервуари ємністю 10…50 тис. м3 з товщиною стінки 12…17 мм, виготовленої із сталей підвищеної і високої міцності (09Г2С і 16Г2АФ). Застосування листів вказаних товщин призвело до того, що згортання та розгортання рулонів стало відбуватися в пружно- пластичній стадії. Виникли труднощі в одержанні проектної форми стінки і особливо в області вертикального монтажного стика. Внаслідок цього більшість монтажних стиків мала значні кутові деформації і зміщення кромок. Бажала кращого і їх якість. Що ж стосується заводських вертикальних стикових зварних з'єднань полотнищ, то кутова деформація в них була відсутня, а якість відповідала вимогам нормативних документів.

Згодом було встановлено, що стінки резервуарів, які експлуатуються на нафтоперекачувальних станціях і нафтопереробних заводах, працюють в умовах малоциклового навантаження. Подальший досвід їх експлуатації та виконані в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона експериментальні дослідження показали, що кутова деформація в зварних з'єднаннях, особливо в поєднанні зі зміщенням кромок та непроварами, в умовах малоциклового навантаження призводить до різкого зменшення працездатності монтажних стикових з'єднань стінки з появою у них тріщин втоми. Зважаючи на наявність в більшості монтажних стиків вказаних дефектів, такі стики стінки не є працездатними і потребують термінового ремонту.

З ряду причин вирішення проблеми відновлення працездатності монтажних з'єднань стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3, що знаходяться в експлуатації прийняло поетапний характер і затяглося до цього часу. Нині працездатність більшості монтажних стиків стінки, особливо резервуарів, що експлуатуються на нафтоперекачувальних станціях, близька до свого вичерпання, а прийнятне вирішення проблеми монтажних з'єднань відсутнє. Виникла економічна та технічна потреба у виконанні теоретичних та експериментальних досліджень з метою розробки нової конструкції та технології ремонту вертикального монтажного з'єднання, працездатного в умовах малоциклового навантаження, стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3 для підприємств магістральних нафтопроводів та нафтопереробної галузі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукову роботу виконували у рамках теми: “Розробка нових матеріалів і технологій виготовлення зварних труб з контрольованими параметрами структурно-фазового стану для роботи трубопроводів в умовах впливу агресивних середовищ та довгострокових навантажень”, розділ “Розробка технології заміни елементів стінки резервуарів з утворенням зміщених вертикальних зварних з'єднань та нормативної документації для виконання технічного діагностування.” Шифр теми - 1.6.1.28.37.7, номер теми у відповідності з планом Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона - 28, 37/7. Тему затверджено розпорядженням бюро ВФТПМ НАН України: протокол № 7 від 20.02.2000р. Початок робіт – 2000 р., закінчення 2002 р. Номер державної реєстрації - № 0197U002401.

Мета роботи. Розробити спосіб відновлення працездатності вертикальних монтажних з'єднань попередньо напруженої стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3, що експлуатуються.

Об'єктом дослідження є конструкція та технологія виконання вертикального монтажного з'єднання, працездатного в умовах малоциклового навантаження, стінки рулонованих резервуарів ємністю 10 … 50 тис. м3, що експлуатуються.

Предметом дослідження є залишкові зварювальні напруження в стінці резервуара, що виникають при виконанні швів в умовах жорсткого контуру, стійкість стінки при дії залишкових зварювальних напружень, технологічні та конструктивні рішення для зниження напруженого стану стінки при зварюванні монтажних швів, технологія виконання вертикальних монтажних з'єднань.

З метою досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

·

·

·

·

Методи дослідження. Експериментально досліджено вплив наявності жорсткого контуру при зварюванні швів і попереднього напруження на характер зміни геометричної форми стінки рулонованих резервуарів ємністю 20 тис. м3 під час заміни п'яти монтажних з'єднань шляхом використання рекомендованого нормами способу, що базується на ідеї вварювання окремих вставок встик із зміщенням вертикальних швів по поясах. На основі виконаних досліджень показано необхідність розробки нового способу відновлення працездатності монтажних з'єднань.

Методом кінцевих елементів, за допомогою обчислюваного комплексу SCAD, визначено, що фактичні відхилення кривизни вставок призводять до появи додаткових напружень вигину. У зв'язку з цим необхідна розробка допусків на відхилення кривизни вставок від проектної.

Методом кінцевих різниць, із застосуванням обчислювального комплексу “Мекрис-2”, досліджено особливості напруженого стану циліндричної стінки резервуара ємністю 20 тис. м3 (R=19950 мм, товщина 10 і 15 мм) за наявності вм'ятини прямокутного обрису. Показано можливість використання стрижневої моделі для призначення допусків на величину відхилення кривизни вставок.

Напружений стан стінки резервуара ємністю 50 тис. м3 (R=30350 мм) при зварюванні швів вставок в умовах жорсткого контуру вивчено за допомогою розрахункових методів дослідження кінетики зварювальних напружень та деформацій. Оцінку ризику втрати стінкою стійкості виконано енергетичним методом.

Методом кінцевих елементів, із використанням комплексу SCAD, розрахунковими методами дослідження кінетики зварювальних напружень і деформацій та експериментальними дослідженнями фактичної форми втрати стійкості показано, що головний вплив на напружений стан і стійкість стінки в новій конструкції монтажного з'єднання здійснюють залишкові зварювальні напруження, які виникають в процесі поперечної усадки горизонтальних швів вставок. Показано необхідність встановлення проміжних кілець жорсткості між горизонтальними швами укрупнених вставок та визначена їх кількість і переріз.

Шляхом порівняння теоретичної і фактичної форми втрати стійкості, з урахуванням наявних початкових прогинів, уточнено результати оцінки ризику втрати стійкості стінкою резервуарів ємністю 20 і 50 тис. м3 в новій конструкції монтажного з'єднання.

Експериментально досліджена можливість використання формоутворення кінцевих ділянок стінки і вальцювання вставок на радіус, який менше проектного, але більший за залишковий стінки, для досягнення рівності кривизни кінцевих ділянок стінки та вставок.

Розміри областей стінки резервуара з відхиленнями геометричної форми визначали з використанням рулетки, шаблону довжиною 2 м і струни. Величину кутової деформації в вертикальних монтажних стиках заміряли за допомогою штангенциркуля із точністю 0,1 мм і шаблону довжиною 500 мм.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше вирішена проблема попередження втрати стійкості стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3 при дії локального навантаження, викликаного виконанням на ній зварювання монтажних швів в умовах жорсткого контуру.

Теоретичними і експериментальними дослідженнями визначена оптимальна кількість і розташування кілець жорсткості на стінці резервуара для одержання необхідної її геометричної форми при вварюванні укрупнених вставок за наявності жорсткого контуру.

Вирішена задача отримання допустимої кутової деформації в вертикальних монтажних з'єднаннях після вварення вставок у попередньо напружену стінку рулонованих резервуарів.

Розроблена технологія виконання монтажного з'єднання, працездатного в умовах малоциклового навантаження, стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3, що знаходяться в експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено спосіб відновлення працездатності вертикальних монтажних з'єднань попередньо напруженої стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3, що знаходяться в експлуатації, який включає нову конструкцію монтажного з'єднання і технологію його виготовлення. Новий спосіб дозволяє в умовах малоциклового навантаження досягти тривалої безвідмовної роботи основного силового елементу резервуара – стінки, при максимально можливому рівні наливу нафти (нафтопродукту) в процесі подальшої експлуатації. Спосіб пройшов практичну апробацію під час заміни десяти вертикальних монтажних з'єднань в одну лінію стінки резервуарів, споруджених із рулонованих заготовок для зберігання нафти ємністю 20 та 50 тис. м3 ВАТ “Укртранснафта”, з'єднаннями врозбіг і може бути застосований при ремонті інших резервуарів. Про отримання позитивних результатів при відновленні працездатності вказаних вертикальних монтажних з'єднань складено відповідні акти.

Особистий внесок здобувача. Здобувач на основі результатів виконаних теоретичних та експериментальних досліджень дійшов висновку, що рекомендоване нормами технічне рішення щодо заміни вертикального монтажного з'єднання, яке базується на ідеї вварювання окремих вставок встик із зміщенням вертикальних зварних швів по поясах стінки, на практиці не може бути реалізовано. Натомість запропонована нова конструкція монтажного з'єднання із укрупненням окремих вставок у блоки 2, 4, 5, 7. На основі аналізу напруженого стану та експериментальної перевірки результатів розрахунку ризику втрати стійкості встановлено, що причинами утворення вм'ятин при зварюванні швів вставок в умовах жорсткого контуру є втрата стійкості і деформування стінки. Експериментальними дослідженнями показано, що існуючі заводські шви не є межами областей втрати стійкості. Запропоновано, а також підтверджено розрахунковим шляхом і на практиці форму втрати стійкості стінкою резервуара ємністю 50 тис. м3 2, 6, 7, 8.

Здобувачем експериментально доведена необхідність введення додаткових допусків на відхилення геометричної форми вставок від проектного положення. Запропоновано і експериментально підтверджено, що причиною зміни геометричної форми вставок при вальцюванні на радіус, більший за залишковий, є нерівність залишкових моментів вигину у вставці та стінці 1. Виконано експериментальне дослідження геометричної форми вварених в стінку резервуара вставок. Розроблено критерій допустимості відхилень їх геометричної форми. Для визначення розміру допусків на відхилення геометричної форми вставок запропоновано стрижневу модель, сформульовані умови її застосування 3.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були викладені та обговорені на п'ятьох конференціях:

1. “Нові рішення в проектуванні і будівництві сталевих резервуарів”. Україна, м. Одеса, 13-15 червня 2000 р.

2. “Проблеми забезпечення якості в зварювальному виробництві”. Україна, м. Київ, 3- 6 квітня 2001 р.

3. “Проектування, будівництво і ремонт резервуарів для нафти та нафтопродуктів”. Республіка Казахстан, м. Алмати, 3-4 жовтня 2001 р.

4. “Прогрессивные технологии сварки в промышленности”. Украина, г. Киев, 20-22 мая 2003 г.

5. “Design, inspection, maintenance and operation of cylindrical steel tanks and pipelines”. Prague, Czech Republic, 8-11 October, 2003.

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано вісім наукових статей [1-8], три з них [1-3] відповідають вимогам ВАК.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури (124 найменування) та двох додатків (акти впровадження). Дисертацію викладено на 228 сторінках машинописного тексту, включаючи 64 малюнка та 62 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Великий внесок у вирішення теоретичних і практичних питань, які стосуються методу рулонування, зробили такі відомі вчені, як Г.В.Раєвський, Б.В.Поповський, О.В.Дідковський, О.М.Іванцов, Б.Ф.Лебедєв, В.М. Голінько, В.І. Верьовкин та ін. Розробкою технології отримання вертикального монтажного з'єднання займалися Б.В.Поповський, К.В.Лялін, О.В.Дідковський, Г.А.Рітчик та ін. Однак, проблема одержання вертикального монтажного з'єднання, працездатного в умовах малоциклового навантаження, стінки рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3 до цього часу не знайшла свого прийнятного вирішення. Разом з тим в експлуатації знаходиться велика кількість резервуарів, в яких монтажні з'єднання стінок вичерпали свій ресурс. Виникла нагальна потреба у відновлені їх працездатності, що обумовлює необхідність виконання даної наукової роботи.

Розрахунково-експериментальні дослідження можливості заміни монтажного з'єднання в одну лінію з'єднаннями врозбіг по поясах шляхом вварювання окремих вставок. Зважаючи на недостатнє вивчення проблеми і відсутність необхідних літературних даних, на першому етапі роботи експериментально досліджували основні особливості процесу заміни вертикального монтажного з'єднання стінки резервуара ємністю 20 тис. м3. За основу, враховуючи необхідність виконання швів врозбіг, було прийняте технічне рішення нормативного документу з ремонту резервуарів (рис. 1), що передбачає вирізку ділянки стінки з дефектним зварним з'єднанням і наступне послідовне вварювання встик вставок із зміщенням вертикальних зварних швів по поясах. Однак, більш детальний аналіз вказаного рішення показав, що воно не враховує такої особливості стінки рулонованих резервуарів, як наявність в ній залишкових моментів вигину, а також виконання зварювання швів вставок в умовах жорсткого контуру. У зв'язку з цим було запропоновано доповнити вказане рішення попереднім вигином вставок з метою виключення впливу зусиль від поперечної усадки вертикальних швів на напружений стан

стінки резервуара. Необхідність одержання незначного впливу коливань поперечної усадки на

точність вварювання відносно проектного положення вимагала оптимізації довжини вставок. Аналіз результатів розрахунку показав, що оптимальна довжина вставок для резервуара ємністю 20 тис. м3 дорівнює 2…3 м (рис. 2).

Досягти допустимої кутової деформації у вертикальних монтажних з'єднаннях та забезпечити після вварювання проектну геометричну форму вставок можливо за умови рівності моментів вигину у стінці та у вставках. Для досягнення вказаної рівності було запропоновано останні вальцювати на залишковий радіус стінки.

Теоретичні питання методу тимчасового деформування вивчені досить повно, але через вирішення інших практичних питань вираз залишкового радіуса стінки для випадку згортання полотнища на каркас радіусом r та послідуючого розгортання рулону на проектний радіус R за умови, коли товщина листа ? більша за висоту пружної зони, відсутній. Це не дозволяло визначити радіус вальцювання вставок при їх товщині 12…17 мм.

На основі відомих розрахункових залежностей методу тимчасового деформування було виведено аналітичний вираз залишкового радіуса поясів стінки rзал для вказаного випадку:

rзал = ;

де:

- відносна деформація поверхневих волокон листа при досягненні ними текучості; A=– коефіцієнт, що враховує форму епюри напружень у листі.

Порівняння розрахункових та експериментальних значень залишкового радіуса, заміряних для різних поясів стінки резервуарів ємністю 10 та 50 тис. м3, показує їх добре співпадання для вуглецевої сталі ВСт3сп і низьколегованих сталей 09Г2ДТ та 16Г2АФ (табл. 1).

Таблиця 1

Розрахунковий і фактичний залишковий радіус поясів стінки резервуарів

ємністю 10 та 50 тис. м3.

Ємність резервуара,

тис. м3 | Товщина

поясу, мм | Марка сталі | Залишковий радіус, мм | Похибка, %

розрахунковий* | фактичний

10, (R = 17100 мм) | 12 | 09Г2ДТ | 4976 | 4952 | 4,8

12 | ВСт3сп | 5680 | 5880 | 3,4

50, (R = 30350 мм) | 17 | 16Г2АФ | 4260 | 4663** | 9,0

* При розрахунках вважали, що границя текучості сталі ВСт3сп дорівнює 240, сталі 09Г2ДТ – 330,

сталі 16Г2АФ – 500 МПа.

** Літературні дані.

Експериментальне дослідження можливості застосування удосконаленого способу заміни вертикальних монтажних з'єднань в одну лінію з'єднаннями врозбіг виконували на п'яти монтажних з'єднаннях стінки резервуара ємністю 20 тис. м3. У процесі виконання робіт було встановлено, що вставки, які завальцьовані на залишковий радіус, значно менший за проектний, неможливо встановити в монтажному отворі без утворення вм'ятин у стінці. Необхідно було шукати інші шляхи досягнення рівності залишкових моментів вигину у стінці та вставках.

Внаслідок подальшого вальцювання вставок на більший радіус після закінчення вварювання момент вигину у них став значно меншим за залишковий у стінці, що призвело до вирівнювання вставок. Відхилення стрілки від проектного значення становило -10 …-42 мм (довжина проектної стрілки для вставки шириною 3 м дорівнює 56 мм).

З'ясувалося, що такі відхилення не відображені в діючих нормативних документах. Літературні дані також не дозволяли оцінити їх допустимість. У зв'язку з цим із застосуванням обчислювального комплексу SCAD було виконано комп'ютерне моделювання напружено-деформованого стану стінки резервуара при наявних відхиленнях вставок. Аналіз результатів розрахунків показав, що відхилення призводять до появи значних додаткових напружень вигину (?екв = 548 МПа), тому необхідна розробка допуску на відхилення вставок від проектної форми.

Було виконано експериментальну перевірку гіпотези про причину утворення відхилень кривизни вставок. Розрахунки показали, що рівність моментів вигину у вставках та у стінці повинна досягатися при наливі води приблизно на 2 м вище від рівня розташування відхилень. Якщо вставки приймуть проектну циліндричну форму при вказаному рівні наливу, то причиною утворень відхилень можна вважати нерівність залишкових моментів вигину у вставках та стінці. Під час гідровипробування резервуара дослідження зміни геометричної форми вставок повністю підтвердили запропоновану гіпотезу.

Для обґрунтування розміру допуску на відхилення геометричної форми (кривизни) вставок було досліджено особливості напруженого стану циліндричної стінки резервуара ємністю 20 тис. м3 (радіус 19950 мм, товщина 10 та 15 мм) при наявності вм'ятини прямокутного обрису висотою 1,5 і шириною 2,0 м. Задачу розв'язували методом кінцевих різностей з використанням програмного комплексу “Мекрис - 2”. Виконані дослідження показали, що таке відхилення призводить до появи в стінці резервуара додаткових напружень вигину по лінії спряження вм'ятини та стінки, а також по центру вм'ятини. Зважаючи на те, що на практиці спряження є плавним, запропоновано при визначенні допустимих відхилень кривизни вставок орієнтуватися на величину еквівалентного напруження (4-та теорія) в зовнішньому волокні по центру вм'ятин, а їх розрахунок виконувати за допомогою стрижневої моделі.

Іншою важливою проблемою, що перешкоджає реалізації ідеї вварювання вставок у вигляді окремих листів, є утворення у стінці, на прилеглих до вставок ділянках, недопустимих вм'ятин під час зварювання швів в разі товщини поясів менше 12 мм. Спочатку вважали, що причиною їх утворення є зменшення жорсткості стінки резервуара при наявності горизонтального розрізу, виконаного під час вирізки монтажного отвору.

З метою підвищення жорсткості стінки, зважаючи на досвід заводського виготовлення рулонованих полотнищ, було вирішено перейти від послідовного вварювання вставок до складання їх по всій висоті в єдиний масив. При цьому зварювання вертикальних швів виконувалося відразу, а горизонтальні шви збиралися на всій висоті стінки на прихватках. Потім виконували заповнення розробки горизонтальних швів в напрямках від середини стінки до її країв - уверх до покрівлі і вниз до днища. Можливість застосування розробленої технології для попередження утворення вм'ятин було досліджено при ремонті двох вертикальних монтажних з'єднань стінки резервуара ємністю 20 тис. м3. Однак вже після заповнення розробки всіх горизонтальних швів тільки наполовину товщини листа в прилеглій частині стінки утворилися вм'ятини довжиною в горизонтальному напрямку до 4 м і глибиною до 160 мм.

Отриманий результат означав, що спосіб відновлення працездатності монтажних з'єднань, який базується на ідеї вварювання окремих вставок по поясах, не дозволяє одержати працездатне монтажне з'єднання. Необхідна розробка іншого конструктивного рішення і технології його виконання.

Розробка нового способу відновлення працездатності вертикальних монтажних з'єднань стінки резервуарів, споруджених із рулонованих полотнищ. З метою зниження напруженого стану стінки резервуара на другому етапі роботи окремі вставки були укрупнені в блоки довжиною 2 та 3 м і висотою 4,5 м (рис. 3). Завдяки цьому на стінці резервуара ємністю 50 тис. м3 зварювалось тільки чотири горизонтальних стикових шва замість десяти.

Зварювання швів вставок необхідно було виконувати в умовах жорсткого контуру, якого на практиці, як правило, уникають, а тому напружений стан тонких оболонок та пластин при зварюванні в умовах жорсткого контуру вивчено недостатньо. Зважаючи на це, для розробки нового способу заміни монтажного з'єднання було виконано теоретичне дослідження напруженого стану циліндричної стінки резервуара ємністю 50 тис. м3 при вварюванні укрупнених вставок і оцінено ризик втрати нею стійкості під впливом залишкових зварювальних напружень.

Припускалось, що всі шви вставок виконуються в умовах жорсткого контуру (попередній вигин не придається) зі застосуванням ручного дугового зварювання. Циліндричну оболонку стінки резервуара, з огляду на її невелику кривизну (1/R = 3,294 х 10-3 м-1) і тонкостінність (R/?= 1700…4300), при розрахунку зварювальних напружень, а також при оцінці ризику втрати стійкості, розглядали як тонку пластинку. Залишкові напруження визначали за допомогою розрахункових методів дослідження кінетики зварювальних напружень та деформацій. При оцінці ризику втрати стійкості використовували наближений енергетичний метод, у відповідності з яким ризик втрати стійкості високий, якщо повна пружна енергія системи Е = (U + W) < 0, де U – потенціальна енергія згину пластинки, а W – робота мембранних зварювальних напружень xx, yy, xy, пов'язана з переміщенням від випинання . Приблизно, з достатнім ступенем консервативності, приймали, що .

На початковому етапі розрахунків, через відсутність експериментальних даних, форму вм'ятин у стінці резервуара задавали у вигляді прямокутників розміром a х b (області A, B, С, D, E і F на рис. 3). Такий підхід дозволяє досліджувати втрату стійкості тонкої пластинки із сторонами a х b. Вважали, що пластинка у складі полотнища стінки оперта по краях шарнірно. За опори були обрані вузькі зони високих залишкових напружень розтягнення в районі наявних зварних швів. Форму втрати стійкості між умовними опорами приймали по одній півхвилі. Наявність початкових відхилень не враховували.

Дослідження показали, що в разі зварювання швів вставок в умовах жорсткого контуру на прилеглих до кінця швів ділянках стінки виникає значна концентрація зсувних та поздовжніх розтягуючих залишкових зварювальних напружень. Так, зсувні зварювальні напруження ?ху величиною 5..10 МПа на ділянках стінки товщиною близько 7,0 і 9,0 мм, прилеглих до верхнього горизонтального шва (рис. 4), мають зону дії приблизно 1100 мм від кінця швів, а розтягуючі напруження ?хх(уу) величиною 20…30 МПа діють на відстані майже 900 мм.

На прилеглих до вставок ділянках стінки зафіксовано поля досить значних залишкових стискаючих (хх(уу) -10МПа) та зсувних (ху 5 МПа) зварювальних напружень, які діють на великій відстані (приблизно до 1 м) від вертикальних швів вставок.

Аналіз одержаного напруженого стану і експериментальні дослідження показали, що утворення вм'ятин у стінці резервуара на ділянках, прилеглих до кінця швів, пов’язане з її деформуванням внаслідок наявності значних розтягуючих залишкових зварювальних напружень. Для попередження деформування стінки необхідно підвищити її жорсткість.

Розрахунок повної пружної енергії системи Е для областей стінки A, B, D, E та вставок С і F засвідчив, що вірогідність втрати нею стійкості мала. Однак під час експериментальних досліджень форми втрати стійкості стінкою при вварюванні вставок на резервуарі ємністю 20 тис. м3 було встановлено, що втрата стійкості відбувається між горизонтальними швами при товщині поясів менше 12 мм, а існуючі заводські шви не є границями для вм'ятин. На основі одержаних даних для резервуара ємністю 50 тис. м3 було зроблено припущення, що втрата стійкості відбуватиметься між горизонтальними швами укрупнених вставок в областях Р1 і Р2 (рис. 3). Виконані додаткові розрахунки для цих областей показали, що повна пружна енергія Е в них є від'ємною - відповідно -8 та -28 Дж і тут має бути втрата стінкою стійкості.

Таким чином, запропонованого укрупнення вставок виявилося недостатньо і виникла необхідність розробки додаткових конструктивних рішень. Подальше зниження напруженого стану стінки резервуара можливе шляхом значного зменшення вкладу усадочних зусиль вертикальних швів. Їх поперечна усадка компенсується попереднім вигином вставок. Вплив поздовжніх усадочних зусиль вертикальних швів було запропоновано знизити шляхом використання Т-подібних пересічень з горизонтальними швами. При цьому, беручи до уваги локальність дії усадочних зусиль, достатньо виконати горизонтальний розріз стінки за вертикальний шов на довжину приблизно 15 - 150 …200 мм. В цьому разі дію зварювальних напружень від вертикальних швів на напружений стан стінки можна буде не враховувати.

Було виконано розрахунок повної пружної енергії Е при врахуванні зварювання лише горизонтальних швів для двох варіантів відстані між ними: 2,2 та 3,0 м (рис. 5). У випадку відстані 2,2 м пружна енергія Е для всіх областей (А, В, D) більша за нуль і має таке значення, при якому втрата стійкості малоймовірна.

У другому варіанті збільшення відстані між горизонтальними швами до 3,0 м призвело до значного зниження повної пружної енергії Е для областей А і В (рис. 5) - відповідно 1,6 та -12 Дж і ризик втрати стійкості стінкою залишився досить високим. Аналіз розрахункових даних

показує, що застосування попереднього вигину і Т- подібних пересічень вертикальних швів в цьому випадку недостатньо для попередження втрати стійкості стінки резервуара.

При розробці подальших шляхів зменшення напруженого стану стінки доцільно умовно розглянути окремо дію поздовжніх і поперечних усадочних зусиль горизонтальних швів. Для поздовжніх усадочних зусиль досить ефективним конструктивним способом зниження їх впливу є підвищення жорсткості стінки шляхом установки біля горизонтальних швів кілець, що також повинно попередити її деформування. В разі наявності на стінці резервуара монтажних кілець жорсткості, горизонтальні шви вставок сполучалися з ними. Враховуючи, що кільця жорсткості розміщуються на верхніх, менш навантажених поясах, малоциклова міцність їх зварних з'єднань забезпечується.

Аналіз результатів виконаних розрахунків (зварюються тільки горизонтальні шви за наявності кілець жорсткості, другий варіант відстані) показав, що як і при відсутності кілець жорсткості, напружений стан стінки істотно не змінився. На прилеглих до вставок ділянках виникають досить великі стискаючі та зсувні напруження: хх(уу) -10МПа і ху 5 МПа відповідно, зона дії котрих досягає 1 м. Повна пружна енергія системи зростає, але не набагато: для області А пружна енергія Е дорівнює 2,3 Дж, а для області В - -4,58 Дж (рис. 5) і ризик втрати стійкості стінкою залишається. Отриманий результат дав підставу вважати, що головний вплив на напружений стан і стійкість стінки в разі зварювання тільки горизонтальних швів укрупнених вставок здійснюють залишкові зварювальні напруження, які виникають при їх поперечній усадці.

Зважаючи на те, що застосування технологічних способів, наприклад, зварювання з тепловідведенням, з попереднім розтягом та інш., для зменшення поперечної усадки в монтажних умовах утруднено, з метою запобігання втрати стінкою стійкості доцільно використовувати конструктивне рішення з підвищення її жорсткості шляхом установки посередині між горизонтальними швами укрупнених вставок проміжних кілець жорсткості.

З огляду на неможливість при застосуванні методів дослідження кінетики зварювальних напружень і деформацій розділити вплив на напружений стан стінки поперечних і поздовжніх усадочних зусиль, мав бути додатково підтверджений той факт, що поперечні усадочні зусилля горизонтальних швів дійсно є головним діючим силовим чинником. Для цього методом кінцевих елементів, із використанням комплексу SCAD, було досліджено напружений стан і стійкість стінки при дії тільки поперечних усадочних зусиль горизонтальних швів укрупнених вставок. Розглядали кінцево-елементну модель стінки резервуара ємністю 50 тис. м3 (рис. 5, для відстані між верхніми горизонтальними швами 3 м, з установкою кілець жорсткості). Навантаження оболонки під впливом зусиль від поперечної усадки горизонтальних швів здійснювали шляхом зменшення на величину поперечної усадки довжини розташованих вздовж твірних стрижневих кінцевих елементів, які описували шви. Поперечна усадка кожного горизонтального шва була попередньо визначена числовим методом. В кінцевих ділянках швів довжина стрижневих елементів зменшувалось за гіперболічним законом від величини поперечної усадки на початку ділянки до нуля в кінці.

Порівняння розподілу та величини залишкових зварювальних напружень, отриманих у пластинці зі застосуванням методів досліджень кінетики зварювальних напружень і деформацій та в кінцево-елементній моделі, показало їх добре співпадання. В результаті проведених досліджень було уточнено, що досить великі стискаючі залишкові зварювальні напруження вздовж твірної уу = -5…-10 МПа діють в стінці на відстані до 3,5 м від вертикальних швів вставок.

Аналіз результатів досліджень стійкості стінки показав, що верхня, найбільш тонка область А (рис. 5) товщиною приблизно 7,0 мм, має мінімальний коефіцієнт запасу стійкості К = 1,68. Зважаючи на те, що для циліндричної оболонки нижнє критичне навантаження в разі її стиснення вздовж твірної становить 20...40 % від верхнього, значення коефіцієнту К є недостатнім, і стінка в області А може втратити стійкість. Щодо областей В і D, то тут втрати стійкості не повинно бути за відсутності початкових відхилень. Встановлено, що для запобігання втрати стінкою стійкості буде досить встановити посередині між горизонтальними швами укрупнених вставок одне кільце жорсткості з моментом інерції більше 150 см4.

Дослідно-виробниче опробування нового способу відновлення працездатності вертикальних монтажних з'єднань стінки для рулонованих резервуарів ємністю 20 та 50тис. м3. Дослідно-виробниче опробування нового способу здійснювали в процесі заміни вертикальних монтажних з'єднань стінки рулонованих резервуарів ємністю 20 та 50 тис. м3 ВАТ “Укртранснафта”. Було відновлено працездатність відповідно трьох та семи монтажних з'єднань.

Дослідження фактичної геометричної форми стінки резервуара ємністю 50 тис. м3 показало, що суттєвим фактором, здатним призвести до втрати нею стійкості, є початкові прогини. Величина наявних прогинів стінки в області монтажних з'єднань близька до товщини стінки або значно більша (у 2…4 рази), що повинно істотно знизити критичне навантаження.

Аналіз результатів експериментального дослідження поведінки стінки при зварюванні швів вставок показав, що, за умови відсутності початкових прогинів, втрата стінкою стійкості відбувається у верхній області А товщиною приблизно 7,0 мм (рис. 5). В областях В і D, де товщина стінки складає 9...10 мм, втрати стінкою стійкості не зафіксовано. Отриманий результат, який співпадає з даними розрахунків із використанням кінцево-елементної моделі, підтверджує висновок, що зусилля, які виникають при поперечній усадці горизонтальних швів, здійснюють головний вплив на напружений стан та на стійкість стінки резервуара у новій конструкції монтажного з'єднання. Результати досліджень підтверджують також, що застосування Т-подібних пересічень і кілець жорсткості, встановлених біля горизонтальних швів в новій конструкції монтажного з'єднання, дозволяє виключити вплив на напружений стан стінки усадочних зусиль вертикальних швів і поздовжніх усадочних зусиль горизонтальних швів укрупнених вставок.

За наявності початкових прогинів стінка в областях В і D втрачає стійкість. Розміри областей втрати стійкості були близькими до отриманих розрахунковим методом для пластинки: в області В – для значення пружної енергії Е = - 4,58 Дж і в області D – для Е = 59,54 Дж (рис. 5). В поясах товщиною 12…14 мм втрата стійкості не відбувається навіть при великих початкових прогинах. Установка одного проміжного кільця жорсткості між горизонтальними швами вставок запобігає втраті стійкості стінкою. Після виконання ремонту вертикальних монтажних зєднань геометрична форма стінки резервуара повністю відповідала вимогам норм України.

З метою одержання допустимої кутової деформації у вертикальних стиках вставок було запропоновано виконувати зворотній вигин кінцевих ділянок. Однак, як з'ясувалося, використання лише одного зворотного вигину неможливе. Отриманий результат означав, що необхідно піти на наступний компроміс: більшу частину моменту вигину знімати зворотнім згином, а частину, що залишилася - сприймати шляхом вальцювання листів на радіус, який буде менший за проектний, але більший за залишковий радіус стінки. В ході експериментальних досліджень було визначено необхідні радіуси вальцювання вставок, що забезпечують збереження їх кривизни після вварювання. Обраний шлях дозволив отримати необхідну кутову деформацію (не більше 3 мм на базі 500 мм) та допустиме зміщення кромок у вертикальних монтажних стиках.

Таким чином, виконане експериментальне опробування показало, що всі запропоновані технічні рішення дозволяють реалізувати на практиці нову конструкцію вертикального монтажного з'єднання рулонованих резервуарів ємністю 10…50 тис. м3, працездатну при їх експлуатації в умовах малоциклового навантаження.

ВИСНОВКИ

1. Рекомендований нормативним документом спосіб заміни вертикального монтажного з'єднання, що базується на ідеї вварювання встик окремих вставок із зміщенням вертикальних зварних швів по поясах, не може бути реалізований на практиці як такий, що не враховує наявності в попередньо напруженій стінці рулонованих резервуарів залишкових моментів вигину, а також жорсткого контуру при зварюванні швів вставок.

2. Встановлено, що нова конструкція монтажного з'єднання повинна містити укрупненні в блоки окремі вставки, Т - подібні пересічення вертикальних швів вставок і кільця жорсткості. Застосування попереднього вигину вставок, Т- подібних пересічень і укрупнених вставок дозволяє виключити вплив усадочних зусиль вертикальних швів на напружений стан стінки резервуара. Установка біля горизонтальних швів вставок кілець жорсткості дає можливість не враховувати дію поздовжніх усадочних зусиль горизонтальних швів і попереджує деформування стінки резервуара.

3. При зварюванні в умовах жорсткого контуру горизонтальних швів укрупнених вставок в новій конструкції монтажного з'єднання, вм'ятини в циліндричній стінці резервуара виникають через втрату нею стійкості між вказаними швами та внаслідок її деформування на ділянках, що знаходяться на продовженні горизонтальних швів. Визначено, що в цьому разі зона дії стискаючих зварювальних напружень вздовж твірної величиною -5…-10 МПа досягає 3,5 м від вертикальних швів. Протяжність областей дії поздовжніх розтягуючих зварювальних напружень величиною 20 - 30