Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов являются объектами повышенной опасности, которые при аварии могут нанести вред окружающей среде персоналу предприятия, прилегающим сооружениям. Несмотря на использование современных технологий и достигнутый опыт в резервуаростроении, аварии на данных объектах становятся распространенным явлением. Следует отметить, что значительная часть резервуарного парка России практически исчерпала свой назначенный ресурс эксплуатации или имеет дефекты не допустимые с точки зрения нормативно-технической документации [1].
В процессе эксплуатации резервуаров появляются различные дефекты, снижающие надежность резервуаров и приводящие к авариям различной степени опасности. Опасность возникновения аварийных ситуаций оценивается тяжестью причиняемого ущерба, который зависит от того, как проявляется авария: в виде взрывов и пожаров от разлившегося нефтепродукта, в виде хрупких разрушений или локальных отказов резервуаров. Как показывает практика, аварии РВС в большинстве случаев сопровождаются значительными потерями нефтепродуктов, отравлением местности и гибелью людей [2]. Общий материальный ущерб превышает первичные затраты на сооружение резервуаров. Это является одним из главных оснований утверждать, что проблема обеспечения надежной эксплуатации резервуарных конструкций остается актуальной. А так же приводит к необходимости разработки методов определения фактической опасности обнаруженных во время диагностирования резервуара дефектов, оценки напряженного деформированного состояния конструктивных элементов резервуаров с дефектами, определения сроков и условий возможной безаварийной эксплуатации.
На сегодняшний день имеется немало работ по проблеме анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров [3]. Прежде всего, стоит отметить, что все авторы данных работ, указывают на несовершенство аналитических методик расчета НДС резервуаров, которые не позволяют реально оценивать ресурс эксплуатируемых РВС. Связано это с тем, что расчеты НДС резервуаров по нормативным документам [4-8] не учитывают конструктивные особенности РВС, условия эксплуатации, внешние и технологические факторы, наличие и расположение дефектов.
В настоящее время проводятся многочисленные исследования остаточного ресурса резервуаров с различными дефектами, предлагаются новые методики расчета НДС резервуара с применением современных программных комплексов. Самые распространенные из них – программы, использующие расчет на основе метода конечных элементов. Данный метод позволяет получать достаточно корректные результаты прочностных расчетов резервуара при моделировании конструкции РВС, приближенной к реальной, задании всех граничных условий, нагрузок и оптимального количества узлов сетки разбиения.
Постановка задачи
Одним из распространенных дефектов в конструкции резервуара является дефект типа «трещина» [9]. Хрупкие разрушения объектов нефтяной и газовой промышленности с катастрофическими последствиями происходят при образовании и распространении трещины в металлоконструкции. Возникновение дефектов в процессе эксплуатации стальных вертикальных резервуаров является неизбежным процессом из-за коррозионного износа и малоцикловой усталости металла. Усталостные трещины появляются в результате циклических нагрузок в местах концентрации напряжений.
Остаточный ресурс стенки резервуара определяется согласно РД 153-112-017-97 [4] по параметрам малоцикловой усталости металла. В основе методики расчета лежит уравнение Пэриса, которое связывает скорость распространения трещиноподобного дефекта и коэффициент интенсивности напряжений (КИН):
Здесь С и n – эмпирические коэффициенты,
db/dN – скорость роста трещины,
N – число циклов
∆K=Kmax-Kmin – размах коэффициента интенсивности напряжений за один цикл нагружения, определяемый по формуле:
где ∆σ=σmax-σmin – размах действующих напряжений;
YI – К-тарировочная функция, безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии тела, параметров трещины и условий нагружения;
b – глубина трещины.
Коэффициент интенсивности напряжений (КИН) – это параметр, который характеризует напряженно-деформированное состояние в вершине трещины и зависит от условий эксплуатации, геометрии рассматриваемой конструкции и размеров трещины. Для расчета КИН трещин в простых конструкциях, например, цилиндрах или пластинах, существуют аналитические зависимости, представленные в справочнике Ю. Мураками «Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений». Однако для трещин в нижних поясах резервуаров вблизи приемо-раздаточных патрубков и уторного узла такие формулы использовать не корректно. Представим расчет КИН численным методом в ПК ANSYS на основе результатов технического диагностирования резервуара РВСП-5000 с учетом размера трещины, ее расположения и эксплуатационных нагрузок. В рамках данного моделирования так же выполним анализ КИН вертикальной и горизонтальной трещин, расположенных на внутренней и внешней стороне резервуара, с варьированием размера дефекта.
Рассматриваемый резервуар используют для хранения автобензина, выполнен из стали Ст3сп (στ=245 МПа, σв=370 МПа). Визуально-измерительный контроль резервуара показал, что в первом поясе резервуара имеется трещина с размерами: глубина – 2 мм, длина – 10 мм. Направление и расположение трещины (с внтуренней или внешней стороны стенки резервуара) не известны.
Реализация задачи
Расчет НДС в ПК Ansys проходит следующим образом. Создается математическая модель исследуемого объекта, включающая построение его геометрии, задание материала изготовления с помощью физических свойств металла, разбиение модели конечно-элементной сеткой, задание нагрузок и давлений, граничных условий и выбор выходных данных. В качестве геометрии модели была построена одна четверть резервуара с двумя приемораздаточными патрубками с усиливающим листом и обечайкой (см. рис.1).
РИСУНОК 1. Модель резервуара РВСП-5000
Так, методом конечных элементов были определены: общая деформация резервуара, кольцевые напряжения (рис.2) и продольные напряжения в резервуаре.
РИСУНОК 2. Распределение кольцевых напряжений в стенке резервуара РВСП-5000
Затем выполняется построение дефекта «трещина». Для моделирования трещины целесообразно использовать метод подмоделирования, которой позволяет создать сетку достаточной плотности в отдельной области модели для получения более точных результатов. Применение МКЭ для описания роста трещины обычно предполагает оперативную перестройку конечно-элементной сетки по мере развития трещины. Основным преимуществом подмоделирования является не только получение более точного результата в локальной области, но и возможность экспериментирования с различными вариантами конструкции в выбранной области. Основной принцип подмоделирования заключается в переносе результатов (перемещений), полученных из расчета полной модели в местах размещения границ подмодели на узлы подмодели с более мелкой сеткой. В ПК Ansys для интерполяции перемещений из полной модели в подмодель необходимо использовать функцию «Structural DOF» с указанием типа подмоделирования shell-solid [10].
После расчета НДС модели резервуара, была создана копия геометрии конструкции резервуара, в которой была создана подмодель, пластина 400×400×9,4 мм, «вырезанная» из первого пояса резервуара между патрубками. На подмодель необходимо так же приложить нагрузки, которые испытывает расчетная область в полной модели. Для моделирования трещины в ПК Ansys WB имеется инструмент «Fracture-Crack», который автоматически создает поверхностные полуэллиптические трещины требуемого размера.
Задача состояла в том, чтобы получить коэффициенты интенсивности напряжений с увеличением глубины трещины, варьируя расположением трещины: вертикальное и горизонтальное с внешней и внутренней сторон стенки резервуара (рис.3). Изначальные размеры трещины: глубина – 2 мм, длина 10 мм. Рост трещины выполняем с шагом 1 мм до глубины, равной 7 мм, при этом длина трещины с каждым шагом увеличивается в два раза.
РИСУНОК 3. Модель вертикальной трещины
Чтобы решить поставленную задачу, для определения коэффициентов интенсивности напряжений необходимо воспользоваться «Sparse Solve». В меню «Solution-Fracture Tool-SIF» будет задан вывод значений КИН.
Модель вертикальной трещины глубиной L=2 мм, расположенной на внешней стороне стенки резервуара, с результатами распределения КИН представлена на рисунке 4.
РИСУНОК 4. Распределение КИН в вертикальной трещине, расположенной на внешней стороне резервуара
Результаты расчета
Значения КИН для всех вариаций размера и расположения трещины представлены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Значения КИН моделей трещин
Оценивая полученные данные, можно сделать вывод, что с увеличением глубины трещины КИН возрастает. В целом, значения КИН вертикальных трещин больше, чем горизонтальных. Наибольшие значения КИН наблюдаются у вертикальных трещин, расположенных на внутренней стороне резервуара.
В таблице 2 представлены результаты расчета остаточного ресурса резервуара до образования лавинообразной трещины по описанной выше методике [4] с использованием КИН, полученных по кинетической диаграмме циклической трещиностойкости сталей [11] и методом конечных элементов для горизонтальной и вертикальной трещин глубиной 2 мм и длиной 10 мм.
ТАБЛИЦА 2. Остаточный ресурс резервуара РВСП-5000
Результаты расчетов обосновывают необходимость определения точного КИН для трещины, расположенной в стенке резервуара, так как данный коэффициент существенно влияет на величину остаточного ресурса резервуара. Зная конкретное расположение поверхностной трещины в стенке резервуара, можно получить результаты определения остаточного срока эксплуатации, отличающиеся в большую или меньшую сторону от величины, найденной без учета локации трещины.
Таким образом, расчет остаточного ресурса резервуара с использованием ПК ANSYS позволяет корректно оценивать напряженно-деформированное состояние резервуара в зависимости от размера и направления поверхностного дефекта типа «трещина» и прогнозировать дальнейший безаварийный срок эксплуатации.
Литература
1.Текущее состояние системы ТНП на фоне необходимости расширения существующих и строительства новых мощностей.
2. Хроника аварий// Научно-производственный журнал «Безопасность труда в промышленности».
3. Гайсин Э.Ш., Гайсин М.Ш. Современное состояние проблем обеспечения надежности резервуаров для нефти и нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2016. №2.
4.РД 153-112-017-97 Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров. – Уфа: ЗАО «Нефтемонтаждиагностика», 1997. – C. 70.
5. РД 25.160.10-КТН-050-06 Инструкция по технологии сварки при строительстве и ремонте стальных и вертикальных резервуаров. - М.: ОАО «АК «Транснефть», 2005. – C. 259.
6. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. – М: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. – C. 240.
7. РД-23.020.00.-КТН-296-07 Руководство по оценке технического состояния резервуаров ОАО «АК «Транснефть».- Введ. 2007-11-02. М.: Транснефть, 2007 – C. 135.
8. РД 08-95-95 Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. – Введ. 1995-09-01.: АО «ВНИИмонтажспецстрой», 2013 – С. 19.
9. Сафина И. С., Каузова П. А., Гущин Д. А. Оценка технического состояния резервуаров вертикальных стальных// ТехНадзор – 2016 – №3.
10. Герасименко А.А. Прогнозирование остаточного ресурса стальных резервуаров по параметрам циклической трещиностойкости в условиях двухосного нагружения: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Санкт-Петербург, 2014. – 159 с.
11. Пустовой В.Н. Металлоконструкции грузоподъемных машин. Разрушение и прогнозирование остаточного ресурса. – М.: Транспорт, 1992. – 256 с.
