Технические науки / 2.Механика

Д. т. н. А.И. Айнабеков, д. т. н. У.С Сулейменов, Х.А. Абшенов, З.А Звягина

Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, Казахстан

Расчет малоцикловой прочности резервуаров с учетом остаточных напряжений в зоне сварного соединения

В основных нормативных документах по проектированию вертикальных цилиндрических резервуаров [1, 2, 3] предусматривается расчет резервуаров на действие статических нагрузок. Однако, в действительности в процессе эксплуатации резервуарные конструкции подвергаются многократным повторно-статическим и циклическим воздействиям, вызванным периодическим накоплением и опорожнением, профилактическими осмотрами и ремонтами резервуаров.

В связи с этим рассмотрим возможность расчета малоцикловой прочности и долговечности резервуаров с учетом остаточных напряжений в зонах сварных стыковых соединений часто используемых в конструкциях резервуаров.

При этом воспользуемся основными расчетными формулами малоцикловой прочности листовых конструкций, в соответствии с которыми разрушающие амплитуды условных упругих напряжений для конструкции при заданном числе циклов до разрушения N или число циклов до разрушения N при заданной разрушающей амплитуде по критерию усталостного разрушения определяется по формуле

, (1)

где -модуль продольной упругости; - относительное сужение; - предел выносливости на базе 10⁶; - предел прочности; - коэффициент асимметрии условных упругих напряжений; - характеристика металла.

В формуле (1) характеристики , и как для основного металла, так и для металла сварных соединений принимаются в соответствии с минимальными гарантированными значениями по стандартам и техническим условиям.

Показатель для малоуглеродистых низколегированных и высоколегированных сталей с пределом прочности в диапазоне от 300 до 700 МПа принимается равным 0,5. При отсутствии соответствующих данных и при 700 МПа ≤≤1200 МПа значение определяется по формуле

, (2)

где =0,0002.

При ≤1200 МПа значение определяют из равенств для ≤30% и для >30%.

Коэффициент асимметрии цикла напряжений при определяется по формуле:

(3)

При расчете составляющей амплитуды разрушающих условных напряжений при упругой деформаций, в зависимости от числа циклов с учетом остаточных напряжений для определения коэффициента асимметрии r принимается та же формула, что и для .

При коэффициент асимметрии r для расчета составляющей амплитуды условных упругих напряжений принимается равным -1.

Известно, что остаточные сварочные напряжения значительно влияют на циклическую прочность сварного соединения, уменьшая его прочность и долговечность [4].

В расчетной формуле влияние распределения остаточных напряжений на малоцикловую прочность сварного соединения учитывается через предел выносливости сварного соединения . Для сварных соединений с остаточными растягивающими напряжениями при симметричном цикле напряжений от механических и температурных нагрузок предел выносливости предлагается определять по формуле:

(4)

где , - пределы выносливости и прочности металла сварного соединения.

Как видно, с увеличением уровня остаточных напряжений предел выносливости сварного соединения снижается, а с увеличением прочности металла соединения - уменьшается.

Предел выносливости для сталей с пределом прочности 300 МПа≤≤700 МПа вычисляется по формуле

(5)

где =0,4.

При величинах предела прочности в диапазоне от 700 МПа до 1200 МПа вычисляется по формуле

(6)

В случае нетермообработанных сталей может быть принято .

Для определения максимальных значений остаточных напряжений можно воспользоваться формулами:

, (7)

, (8)

где - максимальная интенсивность напряжений, - ширина области распространения пластических деформации, Ф(и )- функция интеграла вероятности, l – расчетная длина шва, х – координата расчетного сечения.

Для предварительной оценки числа циклов до разрушения сварного соединения с учетом остаточных напряжений в зоне шва, предлагается использовать эмпирическую формулу, вывод которой подробно освящен в работе [5]:

(9)

где a – ширина свариваемой полосы.

На практике для снижения остаточных напряжений применяются различные виды обработки сварных соединений. В этом случае влияние различных видов обработки в расчетах учитывается через экспериментально определенные значения предела выносливость , или вычислением по формуле (4) с учетом, установленных экспериментальным путем, значении остаточных напряжений , или введением коэффициента , зависящего от вида и режимов сварки, сварочных материалов и видов обработки сварного стыка.

При этом разрушающие амплитуды местных условных упругих напряжений для металла сварного соединения принимаются равными:

, (10)

где - разрушающая амплитуда условных упругих напряжений, определяемая для основного металла по формуле (1).

Допускаемые амплитуды условных упругих напряжений [] и чисел циклов [N], исходя из условий и ( и - запасы прочности по напряжениям и по долговечности), могут быть определены из системы двух уравнений по критерию усталостного разрушения:

(11)

Предложенная методика оценки малоцикловой прочности и долговечности сварных соединений с учетом распределения остаточных напряжений в зоне сварного шва, позволяет с достаточной для практических целей точностью производить расчеты.

ЛИТЕРАТУРА.

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

2. ПБ 03-605-03. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов.

3. American Petroleum Institute. API Standard 650 Welded Steel tanks for oil storage. Tens edition, addendum 2, November 2003, Washington.

4. Ф.Е. Дорошенко, С.В. Фуфаев, А.А. Василькин. Остаточные напряжения и пути повышения надежности и долговечности вертикальных цилиндрических резервуаров. // Монтажные и специальные работы в строительстве. № 6 - 2007 с.2-7.

5. Айнабеков А.И., Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. Расчетная оценка остаточных напряжений в сварных швах и околошовной зоне резервуарных конструкции с выбором оптимального варианта схемы разрезки шва./ «II Ержановские чтение» Международное научно-техническая конференция. Актобе – 2007 с.19-24