В работе описывается влияние остаточных сварочных напряжений на листовые конструкции вертикальных стальных резервуаров.
Расширение и сокращение металла в процессе сварки сопровождается возникновением деформаций. В сварном шве и околошовной зоне образуются остаточные напряжения, которые в углеродистых и низколегированных сталях достигают предела текучести. В металле конструкции (околошовная зона) и сварных швах имеют место остаточные пластические деформации, которые приводят к появлению перемещений и, как следствие, нарушению формы сварной конструкции.
В данной работе проводится анализ влияния усадки сварных швов на напряжённо-деформированное состояние листов стенки резервуара при ремонте.
Расчёт остаточных сварных деформаций осуществляется решением термомеханической и деформационной задач. Термомеханическая задача определяет деформации непосредственно в сварном шве. Деформации в сварном шве разделяются на продольные ɛхпласт и поперечные ɛупласт остаточные пластические деформации. Эти деформации создают продольную ∆пр и поперечную ∆поп усадки конструкции в районе сварного шва. Деформационная задача в продольном направлении решается с использованием фиктивной продольной усадочной силы Pус известным методом. В свою очередь, Pус определяется решением термомеханической задачи, учитывающей влияние погонной энергии сварки, теплофизических и механических свойств свариваемого металла.
Эффективная тепловая мощность сварочной дуги определятся по формуле [2]:
Режимы сварки вертикальных и горизонтальных стыков стенки проволокой сплошного сечения диаметром 1,2 мм в среде углекислого газа отражены в таблицах 2 и 3 соответственно [3] .
Для исследования влияния сварки на напряжённо-деформированное состояние ремонтных карт рассмотрим вварку листа 1,49мх5,9м толщиной 11мм из стали 09Г2С в стенку резервуара РВС-20000 радиусом 22,8м.
На рис.1 представлены конструкции горизонтального и вертикального сварных швов.
В соответствии с [3] горизонтальные швы производятся в 5 слоёв, вертикальные швы в 2 слоя для толщины вставки 11мм, см. рисунок 2.
Действие продольной усадки от продольных швов заменяется действием фиктивной продольной усадочной силы Рус , рассчитываемой по следующему выражению [2]:
которая определяется в соответствии с формулами (1), (2), (4) и данными таблиц 2, 3. Результаты расчета представлены в таблицах 4, 5 для горизонтального и вертикального швов соответственно.
Для проведения инженерных расчётов принято считать, что при многопроходных сварных соединениях добавочная сила от каждого прохода составляет ~ 15% от Рус [2].
Следовательно, на основании данных таблиц 4 и 5 суммарная усадочная сила Рус может быть вычислена следующим образом:
При этом учтено, что остаточные напряжения в зоне пластических деформаций у низколегированных сталей равны пределу текучести [1].
Следовательно, ширина участка свариваемых деталей (зона термического влияния) для горизонтального и вертикального швов вычисляется следующим образом:
На основании полученных результатов в программном комплексе ANSYS создана конечно-элементная модель участка стенки резервуара РВС-20000.
На рисунке 3 изображена конечно-элементная модель участка стенки резервуара РВС-20000 с радиусом стенки 22,8м, в которую вварена ремонтная карта с габаритами 1,5м х 6м.
Как уже было сказано выше, остаточные напряжения в зоне термического влияния у низколегированных сталей равны . В программном комплексе ANSYS данное напряженно-деформированное состояние зоны термического влияния описано с использованием модели Прандтля (см. рис.5).
Проанализируем результаты моделирования в программном комплексе ANSYS.
На рис.6 представлена относительная деформация материала, соответствующая напряжению растяжения (остаточные напряжения, растягивающие вдоль шва), которые в сочетании с моделью материала, дают остаточные напряжения 325МПа.
На рисунке 7 изображена деформация ввареной в стенку резервуара ремонтной карты под действием остаточных напряжений в зонах термического влияния вертикальных и горизонтальных швов.
Анализ результатов моделирования показывает, что влияние остаточных сварочных напряжений в зоне термического влияния шва имеется и деформация, т.е. отклонение стенки в радиальном направлении, равно 4,6мм.
Однако исследования [5, 6, 7] показывают, что влияние остаточных напряжений на вставку в стенке резервуара, изготовленного методом промышленного рулонирования, существенно больше, и отклонение стенки в радиальном направлении, обусловленное технологией рулонирования, равно 167мм [7]).
Из вышеизложенного можно сделать несколько выводов:
Во-первых, присутствует влияние усадки сварных швов на образование деформаций в ремонтных вставках,
Во-вторых, влияние на образование «хлопунов» сварочных процессов пренебрежимо малы по сравнению с влиянием процесса рулонирования.
Список использованных источников
1. Винокуров В.А. “Сварочные деформации и напряжения» /Винокуров В.А. «Машиностроение», 1968, 236 с.
2. Малышев Б.Д. «Сварка и резка в промышленном строительстве» / Малышев Б.Д. «Стройиздат», М.
3. РД-25.160.10-КТН-015-15 «Инструкция по технологии сварки при строительстве и ремонте стальных вертикальных резерваров».
4. РД-23.020.00-КТН-283-09 «Правила ремонта и реконструкции резервуаров для хранения нефти объёмом 1000 – 50000 куб. м»;
5. В.К. Тян, П.А. Комаров, О.В. Худяков «Системный анализ и прогноз поведения металлоконструкций при ремонте стальных резервуаров, изготовленных методом рулонирования» , Известия Самарского научного центра РАН, Том 14, №1 (2), 2012г.
6. П.А. Комаров «Определение радиуса вальцовки ремонтных вставок при ремонте стальных резервуаров, изготовленных методом рулонирования», «Вестник Самарского Государственного Технического Университета. Серия: технические науки.Добыча, транспорт и переработка нефти и газа» , №4 (36), 2012г.
7. П.А. Комаров, О.В. Худяков «Усовершенствованный метод ремонта стенки резервуаров, возведённых с применением метода индустриального рулонирования, «Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов», №4(12) 2013г.
8. «ANSYS в руках инженера» А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева, Москва 2003;
9. «Стальные вертикальные резервуары низкого давления для нефти и нефтепродуктов» Н.В. Николаев, В.А. Иванов, В.В. Новосёлов, Тюменский Государственный нефтегазовый университет Институт транспорта.
