Концентрація напружень в зварних швах вертикальних резервуарів

Анотація

У статті описано нову методику аналізу та прогнозування коефіцієнту концентрації напружень в області зварного шва рулонного вертикального резервуару при гідростатичному навантаженні. Вертикальні резервуари широко використовуються для зберігання нафтопродуктів. Використання технології рулонної збірки є розповсюдженим методом швидкого та недорогого монтажу нафтових резервуарів. Однак використання цієї технології при монтажі резервуарів великої ємкості призводить до необхідності використання сталі товстого прокату. В результаті цього виникають суттєві деформації поблизу зварних швів, якими скріплено стальні листи в рулоні. Такі деформації представляють собою концентратори механічних напружень та можуть призвести до пошкодження резервуару. Таким чином, проблема модулювання залежності факторів концентрації напружень від геометричних параметрів дефекту є актуальною та важливою для забезпечення як економічної, так і екологічної ефективності експлуатації нафтових резервуарів, які зібрано рулонним методом. Підхід, який описано в цій статті, базується на поєднанні чисельного експерименту та апроксимаційного підходу. Коефіцієнт концентрації напружень залежить від двох безрозмірних параметрів дефекту, тому описаний метод є методом апроксимації двохвимірної задачі. Цей метод застосовано до даних, які зібрано шляхом чисельного експериментування за допомогою скінченно-елементного підходу, для створення апроксимуючої моделі коефіцієнту концентрації напружень. Таку модель може бути використано для прогнозування значень напружень, а також міцності та довговічності резервуару. Оскільки зміну властивостей матеріалу у зварному шві не взято в розрахунок, оцінюване напруження є вищим за реальне та представляє собою мажорантну оцінку. Побудовано апроксимуючу модель коефіцієнту концентрації напружень у зоні зварного шва вертикального нафтового резервуару об’ємом 3000 куб. м складної конструкції при гідростатичному навантаженні. Бак складається з чотирьох поясів, які розташовані горизонтально та виготовлені зі сталі різної товщини. Питома маса рідини є близькою до питомої маси води. Виявлено, що концентрація напружень збільшується при наближенні до дна резервуару. Тому при побудові апроксимуючої моделі розглядаються результати в найбільш напруженій області.