ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ УТОРНОГО СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ РЕЗЕРВУАРА

Полезная модель относится к области испытания материалов на прочность, трещиностойкость и усталость, в частности, к образцу для испытаний уторного сварного соединения резервуара, например, для хранения нефти и нефтепродуктов.
Опыт эксплуатации ответственных металлических конструкций показывает, что для поддержания необходимого уровня их эксплуатационной надежности требуются многочисленные экспериментально-аналитические исследования, направленные на изучение поведения металла под действием различных эксплуатационных нагрузок, влияния на него различных внешних факторов, характера развития дефектов и т.д.
Поскольку проведение натурных испытаний для решения указанных задач чрезвычайно трудоемко, связано с высокими финансовыми и временными затратами, а также необходимостью использования уникального оборудования, наиболее распространенным методом получения необходимых сведений являются лабораторные испытания образцов металла. При этом, чем точнее при лабораторных испытаниях воспроизводятся реальные условия эксплуатации анализируемого объекта, тем достовернее получаемые результаты, что соответственно приводит к повышению эффективности прогнозирования его работоспособности.
Одной из наиболее опасных зон в конструкции стального вертикального цилиндрического резервуара является место сопряжения стенки резервуара с днищем, представляющее собой уторное (тавровое) сварное соединение. В этой связи, большую практическую ценность имеет создание конструкции испытательного образца, позволяющей при проведении лабораторных испытаний на типовых сервогидравлических машинах максимально точно моделировать реальные условия нагружения уторного сварного соединения эксплуатируемого резервуара.
К наиболее близкому аналогу (прототипу) можно отнести образец для испытания уторного сварного соединения резервуара [Скорняков, А.А. Исследование конструктивных элементов уторного шва резервуаров / А.А. Скорняков, М.З. Зарипов, И.Г. Ибрагимов, А.Л. Карпов, К.Д. Вержбицкий // Нефтегазовое дело.- 2014.- Т. 12.- №4. - С. 157-161.]. Образец представляет собой уторное сварное соединение, имитирующее соединение стенки и днища резервуара, к которому приварены пластины таким образом, что одна пластина соединяется со свободным концом элемента, соответствующего стенке резервуара, а другая - с одним из концов элемента, соответствующего днищу резервуара. При этом пластины ориентированы так, чтобы находиться в одной плоскости друг с другом. При испытании приваренные пластины служат захватными элементами для испытательной машины.
Анализ рассмотренной конструкции образца показывает, что при такой схеме приложения нагрузок проекция действующей растягивающей силы на оси, совпадающие с элементами, имитирующими стенку и днище резервуара, формирует в уторном шве комбинированное действие растяжения (в плоскости пластины, имитирующей стенку резервуара) и изгиба. Однако, в связи с тем, что нагружение уторного сварного соединения в конструкции реального вертикального цилиндрического резервуара характеризуется возникновением в нем комбинированной нагрузки, состоящей из изгиба и сдвига, к недостатку рассмотренной конструкции образца следует отнести недостоверное моделирование реальных условий нагружения уторного сварного соединения.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является создание конструкции образца для испытаний уторного сварного соединения резервуара, позволяющей проводить его испытания в условиях, имитирующих эксплуатационные, т.е. вызывающих действие комбинированной нагрузки, состоящей из изгиба и сдвига.
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности моделирования реальных условий нагружения уторного сварного соединения вертикального цилиндрического резервуара при лабораторных испытаниях, что соответственно приводит к повышению эффективности прогнозирования его работоспособности.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что образец для испытаний уторного сварного соединения резервуара включает пластину, имитирующую днище резервуара, пластины, имитирующие стенки резервуара, и захватные пластины, при этом пластины, имитирующие стенки резервуара, приварены к пластине, имитирующей днище резервуара, с разных сторон и перпендикулярно ей на расстоянии друг от друга, к пластинам, имитирующим стенки резервуара, с одной стороны приварена П-образная оснастка, включающая крепежные пластины и соединительную пластину, а с другой стороны - усиливающие накладки, при этом П-образная оснастка приварена к пластинам, имитирующим стенки резервуара, с образованием плеч между крепежными пластинами оснастки и пластиной, имитирующей днище резервуара, захватные пластины приварены к П-образной оснастке с одной стороны и к пластине, имитирующей днище резервуара, с другой стороны и расположены в одной плоскости.
Полезная модель поясняется графически, где на фигуре изображен общий вид заявленного образца для испытаний сварного уторного соединения резервуара.
Позициями на фигуре обозначены:
1 - пластина, имитирующая днище резервуара,
2 - пластины, имитирующие стенки резервуара,
3 - П-образная оснастка,
4 - усиливающие накладки,
5 - захватные пластины,
6 - испытываемые сварные соединения,
7 - крепежные пластины П-образной оснастки,
8 - соединительная пластина П-образной оснастки.
Образец для испытаний сварного уторного соединения резервуара включает пластину, имитирующую днище резервуара (1), к которой с разных сторон и перпендикулярно ей приварены две пластины, имитирующие стенки резервуара (2).
К пластинам, имитирующим стенки резервуара (2), с одной стороны приварена П-образная оснастка (3), а с другой стороны - усиливающие накладки (4), повышающие жесткость пластин, имитирующих стенки резервуара (2).
П-образная оснастка (3) представляет собой сварную конструкцию, включающую крепежные пластины (7) и соединительную пластину (8) и служит для передачи усилия от испытательной машины к пластинам, имитирующим стенки резервуара (2).
При этом П-образная оснастка (3) приварена к пластинам, имитирующим стенки резервуара (2) с образованием плеч (b) между крепежными пластинами (7) и пластиной, имитирующей днище резервуара (1).
Усиливающие накладки (4), представляют собой пластины, приваренные по периметру к пластинам, имитирующим стенки резервуара (2), и предназначены для повышения равномерности распределения нагрузки по длине пластин (2), а также для повышения прочности в зоне приварки к ним П-образной оснастки.
Таким образом, за счет жесткости пластин, имитирующих стенки резервуара (2) и наличия плеч (b) при приложении к образцу растягивающего усилия, испытываемые сварные соединения (6) подвергаются воздействию одновременно изгибных и сдвиговых сил.
При этом плечи (b) должны быть одинаковыми для обеих пластин, имитирующих стенки резервуара (2), с целью обеспечения устойчивости образца при нагружении и симметричности прикладываемых нагрузок.
Размер плеча (b) определяет как соотношение изгибных и сдвиговых сил, действующих на испытываемые уторные сварные соединения, так и их абсолютную величину. Его следует определять по результатам предварительного конечно-элементного моделирования, исходя из конструкции рассматриваемого резервуара и целей проведения испытаний.
Для обеспечения захвата образца испытательной машиной к соединительной пластине П-образной оснастки (8) с одной стороны и к пластине, имитирующей днище резервуара (1), с другой стороны приварены захватные пластины (5), расположенные в одной плоскости.
Испытываемые сварные соединения (6) образованы соединением пластины, имитирующей днище резервуара (1), с пластинами, имитирующими стенки резервуара (2).
Толщины пластин (1) и (2), формирующих испытываемые уторные сварные соединения (6), выбираются в соответствии с конструкцией анализируемого резервуара.
Толщины крепежных (7) и соединительной (8) пластин П-образной оснастки, а также захватных пластин (5), рекомендуется выбирать не менее толщины пластин, имитирующих стенки резервуара (1), для обеспечения жесткости и прочности образца.
Длина захватных пластин (5) определяется конструктивными особенностями используемой испытательной машины.
Толщину и размер усиливающих накладок (4) рекомендуется выбирать по результатам конечно-элементного моделирования, для обеспечения достаточной прочности в зоне приварки к пластинам (2) П-образной оснастки (3), а также для достижения требуемого распределения изгибного и сдвигового усилия в испытываемых сварных соединениях (6).
Расстояние, на котором пластины, имитирующие стенки резервуара (2), приварены к пластине, имитирующей днище резервуара (1) (а), может выбираться в широких пределах и определяет изгибную жесткость пластины, имитирующей днище резервуара. При этом следует учитывать наложение на металл термических циклов сварки от указанных сварных соединений.
Образец для испытаний уторного сварного соединения резервуара работает следующим образом.
Захватные пластины (5) образца зажимаются в губках испытательной машины, которая передает на образец растягивающее усилие в плоскости пластины, имитирующей днище резервуара (1) за счет перемещения верхней траверсы.
Поскольку нижняя захватная пластина образца (5) остается жестко зафиксированной, через нее, а также через П-образную оснастку (3) остаются зафиксированными и места соединения крепежных пластин (7) с пластинами, имитирующими стенки резервуара (2).
В результате, вертикальное перемещение верхней захватной пластины (5) с пластиной, имитирующей днище резервуара (1), за счет плеча (b) приводит к возникновению изгибного усилия в испытываемых сварных соединениях (6). При этом собственная жесткость пластин (2), увеличенная усиливающими накладками (4), приводит к возникновению сдвигового усилия в сварных соединениях (6), которое может быть увеличено по мере уменьшения величины плеча (b) и увеличения толщины усиливающих накладок (4).
Учитывая тот факт, что при нагружении рассмотренной конструкции образца зоны испытываемых уторных сварных соединений (6) являются наиболее нагруженными, это позволяет проводить:
- ресурсные испытания уторного узла резервуара, моделируя при нагружении образца циклические нагрузки, соответствующие возникаемым в резервуаре при его взливе и опорожнении, а также при возможных нарушениях регламентированного режима эксплуатации;
- испытания на статическую прочность и циклическую долговечность уторных сварных соединений с различными видами дефектов, нанося соответствующие искусственные и естественные дефекты в различных зонах уторных узлов.
Таким образом, при одноосном растяжении представленной конструкции образца в испытываемых уторных сварных соединениях возникает напряженно-деформированное состояние от действия изгибных и сдвиговых сил, максимально приближенное к возникающему в зоне сопряжения стенки и днища вертикального цилиндрического резервуара при его эксплуатации, что значительно повышает достоверность моделирования реальных условий нагружения уторного сварного соединения вертикального цилиндрического резервуара при лабораторных испытаниях и соответственно приводит к повышению эффективности прогнозирования его работоспособности.