ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СВАРНОГО ШВА ПЕРВОГО ПОЯСА РВС

Опытным путем был смоделирован процесс сварки листов первого пояса РВС. Был вырезан фрагмент резервуара со сварным швом 250 х 200 мм. Далее был смоделирован процесс испытания образца на универсальной испытательной машине с созданием нагрузки на сварной шов. В ходе моделирования дефект образовался при 126 кН. После этого был проведен реальный эксперимент. В результате эксперимента на части сварного соединения листов первого пояса РВС трещина возникла при 120 кН. Относительная погрешность значений, полученных в программе «ANSYS Workbench», составила 5 %.

Анализ причин возникновения дефектов

Повышение надежности РВС исходит прежде всего из определения технического состояния для допуска к безаварийной эксплуатации. Согласно результатам мониторинга АО «Диаскан» основная причина нарушения надежности резервуаров - это образование дефектов и коррозия в первом поясе. Причина этого - напряженно-деформированное состояние. Наиболее подверженные к образованию дефектов в первом поясе - это сварные соединения и околошовные зоны.

Анализ динамики старения резервуарного парка ОАО «АК «Транснефть» показывает, что к 2016 году срок эксплуатации 90,2 % резервуаров превысит нормативный срок службы, поэтому необходимо увеличивать объемы капи­тального ремонта резервуаров в целях повышения эксплуатационной надежно­сти резервуарного парка.

Надежность РВС уменьшается со сроком эксплуатации. По данным АК Транснефть  РВС эксплуатируются от 35 до 40 лет - 28 резервуаров (5,42 %); свыше 40 лет - 36 резервуаров (6,96 %). Нормативный срок эксплуатации 20 лет превысили 75 % (рисунок 1).

Рисунок 1. Распределение стальных вертикальных резервуаров РВС 5000 по срокам эксплуатации (в количествен­ном выражении)

Моделирование процесса сварки

Главными источниками повреждений при эксплуатации резервуаров являются трещины по принципу коррозионного растрескивания под напряжением. Исходя из этого, можно изучить процессы возникновения внутренних напряжений во время сварки резервуаров с помощью одного из наиболее результативных инструментов КЭ анализа - программа «ANSYS Workbench».

Для КЭ моделирования процесса сварки листов первого пояса РВС необходимо выбрать часть листа 250 х 200 мм. Геометрические и физические величины программной модели соответствуют реально существующим значениям. Для того чтобы обеспечить скорость сварки 375 мм/мин разделяем 3D модель сварного шва на 32 равных части. В результате получаем, что каждая часть будет нагреваться 1 секунду.

Плотность мощности энергии, прикладываемой к элементам сварного шва, рассчитывается по формуле (1):

где 0,24 – тепловой эквивалент;

– эффективный КПД процесса нагрева металла сварочной дугой;

– напряжение сварочной дуги, В;

 – сварочный ток, А;

V – объем нагреваемого материала, м³.

Рисунок 2. Сетка конечных элементов части листа первого пояса РВС

Для ручной дуговой сварки данные значения элементов формулы: η_и=0,8; U_д=35 В; I_д=500 А. Из-за того, что моделируется сам нагрев шва, то в формулу вбиваются значения объема элементов: Vк = 1,3610^-8 м³ – для элементов корневого шва, Vз = 4,8910^-7 м³ – для элементов заполняющего шва. Плотность мощности тепловой энергии для корневого шва равна Wк = 2,4710¹¹ Вт/м³, для заполняющего Wз =6,8710¹¹ Вт/м³. Ход сварки проводится с охлаждением поверхностей с помощью конвекции.

В конечном итоге расчета переходного теплового анализа получаем распределение температурных полей для каждого промежутка времени.

Далее моделируется исследование на универсальной испытательной машине. К части резервуара прикладывается сила, разделенная по площади квадратного образца 20х20 мм и нацеленная от центра РВС. Прикладываемая сила увеличивается линейно на протяжении 1 секунды до величины 200 кН. Сила прикладывается в области околошовной зоны, как и при эксперименте на универсальной испытательной машине.

В результате статического прочностного анализа получаем изолинии эквивалентных напряжений по теории напряженности Мизеса. Из-за того, что напряжения по Мизесу носят эквивалентный характер, их нельзя поделить на напряжения растяжения или сжатия.

Предел прочности стали РВС равен 510 МПа. При увеличении этого значения происходит критическое разрушение металла и возникновение трещины с дальнейшим ее ростом.

На рисунке 3 показаны изолинии напряжений по Мизесу в период времени t = 600 сек. Это время соответствует состоянию эксплуатации РВС 5000.

Рисунок 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу в разрезе части РВС 5000 в период времени t = 600 сек.

В результате напряжения по Мизесу в части листа первого пояса РВС, обусловленные тепловым воздействием не превышают предел прочности материала резервуара.

На рисунке 4 показаны изолинии напряжений по Мизесу для части РВС 5000 под нагрузкой на универсальной испытательной машине. Изолинии представлены для времени t = 600,63 сек. На этой величине времени напряжения по Мизесу превзошли предел прочности. Значит в этот момент времени на физической модели случилось бы разрушение материала и появилась бы трещина. Превышение предела прочности случилось в околошовной зоне в зоне действия наконечника универсальной испытательной машины, как и появление трещины при испытании реальной части резервуара РВС 5000.

Рисунок 4. Эквивалентные напряжения по Мизесу в разрезе части РВС 5000 под нагрузкой в момент времени t = 600,63 сек.

Сила давления универсальной испытательной машины прикладывается линейно в течение 1 секунды, значит можно вычислить силу, при которой появилось разрушение в материале, то есть появление дефекта. Этим дефектом является продольная трещина в околошовной зоне сварного соединения листов первого пояса РВС.

В результате эксперимента на части сварного соединения листов первого пояса РВС трещина возникла при 120 кН. Относительная погрешность значений, полученных в программе «ANSYS Workbench», составила 5 %. Потому что при математическом моделировании принимаются идеальные условия. На практике же бывает неоднородность структуры и свойств металла и другие случайные факторы.

Самое высокое значение напряжений в околошовной зоне отмечается около сварного шва. Это может привести к появлению дефектов при нагрузке.

Эксперимент с созданием нагрузки

Испытание на изгиб части сварного соединения листа первого пояса РВС проходило по схеме, показанной на рисунке 5. Испытание проходило на универсальной испытательной машине (УИМ) (рисунок 6). Нагрузка в образце подавалась медленно, до появления поверхностной трещины в ОШЗ, но не в сварном стыке.

Рисунок 4. Схема испытания образца на изгиб:

1 – часть сварного стыка; 2 – наконечник; 3 – опоры;

4 – индикатор нагрузки

Рисунок 5. Универсальная испытательная машина

Дефекты в ОШЗ при эксплуатационных нагрузках появляются по нескольким причинам: химическая и структурная неоднородность тела резервуара, нарушение технологии проведения работ, коррозия и др.

При испытании на изгиб части сварного соединения первого пояса резервуара РВС 5000 видно, что в зоне ЗТВ появилась значительная локализация деформации, образование трещин при нагрузке 120 кН (рисунок 7). Практический эксперимент с прикладыванием повышенной нагрузки на сварное соединение первого пояса резервуара подтвердил результаты компьютерного моделирования.

Рисунок 7. Зона локализации деформации, образование трещин

Заключение:

В зоне температурного воздействия произошла значительная локализация деформации металла с неоднородными упругими и пластичными прослойками. Компьютерным моделированием подтверждено наличие и найдены координаты ЗКН. По истечению времени именно в зоне с данными координатами возникает трещина при испытании. Причиной образования трещины в ОШЗ является микронеоднородность металла, которая может возникнуть на любой стадии, как строительства, так и эксплуатации РВС 5000.

Список литературы:

1. Инженерный анализ в Ansys Workbench: учеб. пособ. / В. А. Бруяка, В. Г. Фокин, Е. А. Солдусова, Н. А. Глазунова, И. Е. Адеянов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.
2. ГОСТ 25.502-79 Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 28 с.
3. Шахматов Д. М. Циклическая прочность сварных трубопроводов с дефектами / Д. М. Шахматов // Сварка и Диагностика. – 2010. – №2. – С. 21-26.
4. ПБ 03-605-03 «Правила устройства вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов» Москва ПИО ОБТ 2003.