*112815*

Технические науки/2. Механика

Сулейменов У.С., Абильдабеков А.А., Сарсенбаев А.А.,

Абшенов Х.А., Мамбеталиева У.Д.

Южно-Казахстанский государственный университет им М. Ауезова,

г. Шымкент, Казахстан

Экспериментальное исследование распределения напряжений в узле врезки люка-лаза в стенку вертикального цилиндрического резервуара

Резервуары для хранения жидкостей широко используются в различных отраслях промышленности. Разрушения и аварии на таких резервуарах сопровождаются выливанием десятков и тысяч тонн ядовитых веществ и приводят к тяжелым последствиям [1,2]. Поэтому обеспечение их надежной работы и техногенной безопасности является весьма важной и актуальной задачей.

К числу наиболее ответственных зон конструкции резервуара относятся места врезки патрубков - сварные соединения патрубков трубопроводных систем, люков-лазов и стенки резервуара. Применительно к зонам врезок действующие нормы на проектирование резервуаров [3] отдельно не регламентируют вопросы определения напряженно-деформированного состояния. Это определяется многими причинами: многообразием конструктивных вариантов усиления узла, широким диапазоном изменения геометрических параметров конструкций; разнообразием эксплуатационных видов нагружения; сложным напряженным состоянием и концентрацией напряжений в зоне врезки; требованием обеспечения прочностной надежности в сочетании с низкой материалоемкостью конструкции и т. д.

В связи с вышеотмеченным, и с целью изучения действительной работы и напряженного состояния элементов усиления зоны врезки люка-лаза резервуара, проведены экспериментальные исследования фрагментов моделей узла врезки в стенку резервуара.

С учетом возможности приложения нагрузки, измерения исследуемых параметров масштаб моделирования принят 1:4 натуральной величины. В связи с тем, что модели, изготовленные из материалов с высоким модулем упругости, представляют неудобство, заключающееся в трудностях их изготовления и необходимости приложения больших величин нагрузок. В связи с этим материалом модели принято органическое стекло.

Моделирование усилий, геометрических размеров и характеристик материалов конструкций осуществляюсь на основе простого механического соответствия между моделью и натурным объектом, основанного на анализе размерностей физических величин, описывающих класс данного явления [4,5] .

Для изучения напряженного состояния узла врезки по предложенному конструктивному решению и для сравнения полученных результатов с традиционным, приведенным в [3], конструктивным решением было изготовлено 2 модели: модель А – изготовленная по СН РК конструктивному решению; модель Б – изготовленная по предложенному конструктивному решению. Размеры моделей и конструктивные размеры и решения приведены на рисунке1.

Модели изготовлены из органического стекла. Определение механических характеристик производилось согласно требованию ГОСТ 11262-80, который устанавливает метод испытаний на растяжение пластмасс.

Модели представляют собой фрагмент узла сопряжения патрубка со стенкой резервуара с общими габаритными размерами 375х400 мм.

Фрагменты собирались из листов органического стекла толщиной 2 мм. Необходимая кривизна поверхности задавалось через специально изготовленные поверхности и хомуты при тепловой обработке органического стекла. Склеивание элементов конструкций модели осуществлялось, специально изготовленной на основе дихлорэтана, клеевой пастой.

Исследование напряженного состояния элементов узла врезки осуществлялось тензометрическими средствами измерения. В качестве первичных преобразователей при измерении относительных деформаций (напряжений) применялись одноэлементные, петлевые тензорезисторы ЦНИИСК им. В.В.Кучеренко на бумажной основе базой 5, 10 мм.

Рисунок 1. Конструктивные размеры и решения фрагментов узла врезки люка-лаза

а) по СН РК [3] ; б) предложенное решение

Выбраны тензодатчики одной партии с одинаковой тензочувствительностью и сопротивлением. Монтаж тензорезисторов производился клеем БФ-6, который не требует термической обработки. Тензодатчики наклеивались таким образом, чтобы одной точке представлялось возможность измерения осевых, кольцевых и касательных напряжений в стенке корпуса и патрубка. В каждом кольцевом сечении стенки и патрубка рассматривались 8 точек измерения. Тензодатчика на усиливающий лист наклеивались по двум окружностям: непосредственно перед отверстием и у кромки листа. Всего при проведении испытании фрагментов узла врезки стены измерения с 144 активных и 24 контрольных тензодатчиков.

Вторичной измерительной аппаратурой при статических испытаниях моделей служил автоматический измеритель деформации АИД-4 и АИД-4М с автоматическим уравновешиванием мостов и полумостов и ценой деления 10^-6 е.о.д. в комплекте с автоматическим переключателем АП-1.

При проведении испытании фрагментов узла врезки резервуара учитывались и моделировались следующие нагрузки:

- вертикальная нагрузка на стенку от веса крышки, находящего на нем оборудования и снега, которая создавались гидравлическим прессом;

- нагрузка от гидростатического давления хранимой жидкости, которая имитировались системой домкратов.

На первом этапе экспериментальных исследований был испытан фрагмент модели, изготовленный по конструктивному решению СН РК.

По результатам эксперимента были сделаны следующие выводы:

- по мере удаления точек измерения от линии сопряжения стенки резервуара с патрубком концентрация осевых напряжений быстро снижается, а окружные напряжения плавно затухают;

- характерна высокая степень концентрации напряжений лишь в узкой зоне вблизи линии сопряжения, которые быстро затухают при удалении от нее до уровня, соответствующего основному напряженному состоянию, что указывает на целесообразность использования для снижения максимальных напряжений локального, зонного усиления стенки резервуара;

- наблюдается неравномерное распределение осевых и окружных напряжений в стенке резервуара и патрубке.

На втором этапе экспериментальных исследований были испытан фрагмент модели, изготовленный по предлагаемому конструктивному решению. Основная идея такого способа усиления заключается в выравнивании доли напряжении приходящих на стенку и патрубок путем выбора толщин элементов усиления и их геометрических параметров с целью уменьшения концентрации напряжений в окрестностях врезки, что упрощает напряженное состояние элементов конструкции и дает возможность получения равнопрочной конструкций. Вместе с тем, регулируя параметрами элементов усиления можно регулировать напряженным состоянием зоны врезки, получая оптимальную конструкцию.

По результатам экспериментов установлено, что с усилением патрубка в листе сопряжения со стенкой резервуара благоприятно влияет на напряженное состояние узла врезки. Так наблюдается резкое снижение окружных (в 1,8 … 2,2 раза) и осевых напряжений (1,6 … 2,0 раза). При этом характер кривой эпюр осевых напряжений заметно изменился. Особенно во внутренней стенке патрубка. Заметим незначительное отличие напряжений в области как во внутренней и во внешней стенке патрубка.

Благоприятным фактором можно считать то обстоятельство, что доля напряжений в стенке усиленного резервуара и в стенке патрубка уравновесились, т.е. получен равнопрочный узел.

Так в точках узла сопряжений стенки резервуара с патрубком в точки 10=0⁰ окружные напряжения составили в стенке – 2,10 кН/см², а в патрубке 1,60 кН/см², что составляет в долях соответственно 57% и 43%, осевые напряжения составили в стенке 2,45 кН/см², а в патрубке 1,82 кН/см², что составил в долях 56% и 44% соответственно.

Усиление патрубка изменил и характер кривых напряжений, которые приобрели равномерный, без характерных максимумов и минимумов вид, что указывает на снижение концентрации в зоне врезки и равномерные нагружении патрубка и стенки в зоне.

По сравнению с вариантом без усиления напряжения в точках сопряжения значительно снизились: окружные напряжения в стенке резервуара в наружных точках в 1,6…. 2,4 раза, во внутренних точках в 1,8…2,4 раза; в патрубке в наружных точках в 1,6…. 2,3 раза, во внутренних точках в 1,4…2,6 раза. Наблюдается снижение и осевых напряжений: в стенке резервуара в наружных точках в 1,7….2,2 раза, во внутренних точках в 1,9…2,4 раза, в патрубке в наружных точках в 2…2,2 раза, во внутренних точках в 1,8…2,5 раза.

Амплитуда разброса напряжений в элементах усиления и длина области влияния концентрации напряжений снизились до 2,5 раза.

Литература:

1.Лащенко М.Н.Аварии металлических конструкций зданий и сооружений .Ленинград: Стройиздат, 1987,183с.

2.ThyerA.M.,Hirst I.L.,Jagger S.F.Bund overtopping-the consequences of tank failure//J.of Loss Prevention in the Process Industries.2002.V.15.P.357-363.

3. СН РК 3.05.-24-2004 Инструкция по проектированию, изготовлению и монтажу вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов Астана 2002.

4.Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. - М.: Наука, 1981. - 447 с.

5.Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. - М.: Машиностроение,1990. - 288 с.

.