Программный комплекс для расчета остаточного ресурса стенки резервуаров с трещиноподобными дефектами

- © A.A. Герасименко, Г.Х. Самигуллин, 2015

УДК 621.642.07

А.А. Герасименко, Г.Х. Самигуллин

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРОВ С ТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ

Описан вопрос прогнозирования остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров с поверхностными трешиноподобными дефектами. Актуальность темы обоснована ужесточением норм оценки технического состояния нефтегазовых объектов в частности резервуаров и необходимостью точного расчета возможного срока безопасной эксплуатации дефектной конструкции. В работе на основе подходов механики разрушения описан универсальный алгоритм расчета числа циклов до разрушения стенки резервуара с поверхностным трешиноподобным дефектом. Данный алгоритм позволяет учесть влияние сложно-напряженного состояния стенки на параметры циклической трешиностойкости материала. В статье также представлен разработанный программный комплекс, ориентированный на автоматизированное получение остаточного ресурса резервуара при малоцикловом нагружении. Разработанная программа дает возможность провести расчет остаточного ресурса для резервуаров номинальным объемом 5000, 10000 и 20000 м3 с трешиноподобным дефектом на расстоянии от 0,2 до 0,8 высоты первого пояса при глубине трешины от 0,4 до 0,8 толшины стенки.

Ключевые слова: вертикальный стальной резервуар, трешины, коэффициент интенсивности напряжений, остаточный ресурс, автоматизация расчетов

В настоящее время в нефтегазовом комплексе РФ повышаются требования к обеспечению безопасной эксплуатации оборудования и в частности резервуаров. По результатам оценки технического состояния стальных вертикальных резервуаров (РВС) проводится прогнозирование индивидуального остаточного ресурса с использованием детерминированных и вероятностных расчетов. Следует отметить, что для оценки остаточного ресурса целесообразно привлечение обоих подходов. Однако, довольно часто статистические данные о дефектах, режимах эксплуатации, причинах аварий не

являются общедоступной информацией, что накладывает ограничения на использование вероятностных методов прогнозирования ресурса. Таким образом, детерминированные подходы для анализа возможности продления ресурса резервуаров, поврежденных трещинами, представляются более перспективными. При этом особое внимание следует обратить, на разработку критериев и унифицированных методов анализа критического состояния, безопасности РВС с трещиноподоб-ными дефектами на основе подходов механики разрушения [1].

В работе [2, 3] была разработана методика прогнозирования остаточного ресурса РВС с поверхностной усталостной трещиной. Предлагаемый алгоритм расчета остаточного ресурса резервуара основан на детерминистическом подходе и заключается в определении срока эксплуатации в годах 1 РВС с поверхностной трещиной с учетом влияния условий нагруже-ния на параметры циклической трещиностойкости материала. С целью экспресс оценки влияния различных параметров на остаточный ресурс резервуара с трещиноподобным дефектом в первом поясе РВС - 5000, РВС - 10000, РВС - 20000 на основе данной методики был разработан программный комплекс (рис. 1).

Рис. 1. Диалоговое окно программы оценки остаточного ресурса резервуаров с трещиноподобными дефектами

Для работы в данном программном комплексе необходимо заполнить данные о резервуаре, параметрах и местоположении дефекта, прикрепить текстовый файл с информацией о цикличности нагружения. Файл должен содержать записанные в столбец уровни налива нефтепродукта, выраженные в метрах.

Программа автоматически рассчитывает значения номинальных кольцевых и продольных напряжений [4]:

акц = [0,001 -Р-g • ( h - с) +1,2 • Ри ] • r,

ir

1,05•G +1,05-у, -G0 +1,03•y2 •Gt

G =--+

- 2 •nr •tr

+1,4• 0,7• ce • Ps +1,2•уз • Pv r

tr '2'

где tr - расчетная толщина i пояса стенки, м; r - диаметр резервуара, м; h - высота налива нефтепродукта, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; с - расстояние от дна до расчетной точки, м; р - плотность продукта, т/м3; Gm - вес

металлоконструкций выше расчетной точки, МН;Gt - вес теплоизоляции выше расчетной точки, МН; Ps - расчетная снеговая нагрузка на поверхности земли, МПа; Pv - нормативное значение вакуума, МПа; ce - коэффициент по снеговой нагрузке; у1, у2, у3 - коэффициенты сочетаний для длительных нагрузок.

На основе полученных аналитических кольцевых напряжений и функции f, уточняющей аналитические напряжения, в программе рассчитываются фактические номинальные кольцевые напряжения ( g1™ ) и коэффициент двухосности (п):

FEM г

Gw =G ш • f ,

П = с / с™.

I пр ' кц

Функция { описана полиномом пятого порядка с коэффициентом детерминации 0,999 и имеет вид

f = a + b  c + d  h + e  С + g  ch + j  h2 + к  c3 + ¡  c2 h +

+q  ch2 + w  h3 + r  c4 +1  c3 h + y  c2 h2 + u  ch3 + i  h4 +

+p  c5 + x  c4h + v  c3h2 + n  c2 h3 + m  ch4,

где a, b, d, e, g, j, к, ¡, q, w, r, t, y, u, i, p, x, v, n, m - коэффициенты, зависящие от типоразмера РВС и местоположения дефекта; c - расстояние от днища РВС до точки, в которой необходимо определить напряжения, м; h - высота налива нефтепродукта, м.

Дополнительно проводится расчет К-тарировочной функции Y¡ (b /1, c, h / H) при заданных условиях эксплуатации резервуара и параметрах дефекта [5, 6]

Y; (b /1, c, h / H = a + d  (h / H + e  (b /1) + f  (h / H)2 +

+i (h/H)  (b/1) + j (b/1)2,

где a, d, e, f, i, j - коэффициенты, зависящие от типоразмера РВС и месторасположения дефекта; H - высота резервуара; b - глубина трещины.

Далее программа запрашивает параметры циклической трещиностойкости при рассчитанном коэффициенте двухосно-сти и предел выносливости материала. Методика проведения подобных испытаний подробно описана в работе [7]. В случае отсутствия экспериментальных данных, по умолчанию, используются значения Kth, Kfc, п,полученные при одноосном нагру-жении стали Ст3.

Автоматически рассчитываются размеры не распространяющейся (bth) и критической трещины (bc), число циклов до разрушения (N) с учетом коэффициента запаса по скорости роста трещины:

bth = К /(Y,(b/1,c,h/H) o_1 )2 n ,

bc = rfc / (Y (b /1, c, h / H) от )2 n,

-I bcrít

N = - f к J

1 bf db

v b,

10-7 (AaKü • 4nb-Y,(b/1, c, h/ H) / K )n

где Gi - предел выносливости; kV - коэффициент запаса по скорости роста трещины; bcr¡t - критическая глубина трещины, приводящая к отказу.

На экран выводится графическое изображение изменения числа циклов до разрушения в зависимости от глубины дефекта с учетом коэффициента запаса по скорости роста трещины.

Разработанная программа дает возможность провести расчет остаточного ресурса для резервуаров номинальным объемом 5000, 10000 и 20000 м3с трещиноподобным дефектом на расстоянии от 0,2 до 0,8 высоты первого пояса при глубине трещины от 0,4 до 0,8 толщины стенки и допущении, что отношение глубины трещины к полудлине равняется 1/3.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самигуллин Г.Х., Герасименко A.A. К вопросу о методике расчета остаточного ресурса резервуаров с трещиноподобными дефектами [Электронный ресурс] / Г.Х. Самигуллин, A.A. Герасименко // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - № 3. - С. 263-272. - режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/Samigullin/Samigullin_5.pdf

2. Герасименко A. A. Прогнозирование остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров по параметрам циклической трещиностойкости в условиях двухосного нагружения: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.19 / Герасименко Анастасия Андреевна. — Спб, 2014. — 160с.

3. Самигуллин Г.Х., Герасименко A.A. Методика определения безопасной эксплуатации резервуаров с трещиноподобными дефектами в первом поясе на основе критериев механики разрушения / Г.Х. Самигуллин, A.A. Герасименко // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2014. - № 2. - С. 14-17.

4. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Серия 03. Выпуск 69. — М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. — 240 с.

5. Самигуллин Г.Х., Герасименко A.A. Определение коэффициента интенсивности напряжений для резервуара РВС - 10000 м3 / Г.Х. Самигуллин, A.A. Герасименко // Научно-технический журнал «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - 2014. - № 1. - С. 102-111.

6. Gerasimenko A. A. (2014). Stress Intensity Factors of External Surface Cracks in a Vertical Cylindrical Steel Tank Modern Applied Science, Vol. 8, No. 6; pp. 186-194. doi:10.5539/mas.v8n6p186

7. Шлянников B.H., Захаров A.n., Герасименко A.A. Характеристики циклической трещиностойкости стали Ст-3 при двухосном нагружении / В.Н. Шлянников, А.П. Захаров, A.A. Герасименко // Научный журнал «Труды Академэнерго». - 2013. - № 4. - С. 91-101. ШЪ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Герасименко Анастасия Андреевна — кандидат технических наук, ассистент, anastasiya.geras@mail.ru,

Самигуллин Гафур Халафович — кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, samigullin_gch@spmi.ru,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 621.642.07

SOFTWARE PACKAGE TO ESTIMATE THE RESIDUAL LIFE OF THE TANK WALL WITH CRACK-LIKE DEFECTS

Gerasimenko Anastasiya Andreevna, Ph.D., associate professor, anastasiya.geras@mail.ru, Department of oil and gas transportation and storage. National mineral resources university (University of Mines), Russia,

Samigullin G.X., Ph.D., head of Department, e-mail: samigullin_gch@spmi.ru, Department of oil and gas transportation and storage. National mineral resources university (University of Mines), Russia.

The present research deals with the prediction of residual life of steel vertical tanks with surface crack-like defects. Timeliness is proved by stricter rules for assessing the technical condition of oil tanks. There is necessity accurately calculate possible safe operation period of the defective construction. In this paper is described universal algorithm for calculating the number of cycles to failure of the tank wall with a surface crack-like defect. This algorithm allows to take into account the impact of complex stress state of the wall to the cyclic crack resistance of the material. The article also presents the developed software system. This program gives opportunity to auto calculate residual life of the tank under low-cycle loading. The developed program provides an opportunity to calculate the residual life of tank with nominal volume of 5000, 10000 and 20000 m3 with a crack-like defect. The crack must be at a distance of 0.2 to 0.8 the height of the first belt, a depth of cracks from 0.4 to 0.8, and the ratio of crack depth to half-length equal to one third.

Key words: vertical steel tank, cracks, stress intensity factor, residual life, automation of calculations.

REFERENCES

1. Samigullin G.H., Gerasimenko A.A. K voprosu o metodike rascheta ostatochnogo resursa rezervuarov s treshhinopodobnymi defektami (Revisited the method of calculation of residual life of tank with crack-like defects) / G.H. Samigullin, A.A. Gerasimenko // Jelek-tronnyj nauchnyj zhurnal «Neftegazovoe delo». 2013. No 3. - pp. 263-272. - rezhim dos-tupa: http://www.ogbus.ru/authors/Samigullin/Samigullin_5. pdf

2. Gerasimenko A. A. Prognozirovanie ostatochnogo resursa stal'nyh vertikalnyh rez-

ervuarov po parametram ciklicheskoj treshhinostojkosti v uslovijah dvuhosnogo nagruzhenija

(Prediction of residual life of steel vertical tanks according to the fatigue crack growth parameters under biaxial loading): dis. ... kand. tehn. nauk: 25.00.19 / Gerasimenko Anasta-sija Andreevna. Spb, 2014. 160 p.

3. Samigullin G.H., Gerasimenko A.A. Metodika opredelenija bezopasnojjekspluatacii rezervuarov s treshhinopodobnymi defektami v pervom pojase na osnove kriteriev mehaniki razrushenija (Technique of determination residual life of vertical steel tanks with crack-like defects in first belt based on fracture mechanics) / G.H. Samigullin, A.A. Gerasimenko // Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ja. 2014. No 2. pp. 14-17.

4. Rukovodstvo po bezopasnosti vertikal'nyh cilindricheskih stal'nyh rezervuarov dlja nefti i nefteproduktov. Serija 03. Vypusk 69. Moscow: Zakrytoe akcionernoe obshhestvo «Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti», 2013. 240 p.

5. Samigullin G.H., Gerasimenko A.A. Opredelenie kojefficienta intensivnosti naprjaz-henij dlja rezervuara RVS - 10000 m3 (Determination of stress intensity factor for of vertical steel tank with capacity 10 000 m3) / G.H. Samigullin, A.A. Gerasimenko // Nauchno-tehnicheskij zhurnal «Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov». -2014. - № 1. - S. 102-111.

6. Gerasimenko A. A. (2014). Stress Intensity Factors of External Surface Cracks in a Vertical Cylindrical Steel Tank Modern Applied Science, Vol. 8, No. 6; pp. 186-194. doi:10.5539/mas.v8n6p186

7. Shljannikov V.N., Zaharov A.P., Gerasimenko A.A. Harakteristiki ciklicheskoj treshhinostojkosti stali St-3 pri dvuhosnom nagruzhenii (The characteristics of the cyclic crack resistance of steel St-3 under biaxial loading) / V.N. Shljannikov, A.P. Zaharov, A.A. Gerasimenko // Nauchnyj zhurnal «Trudy Akademjenergo». 2013. No 4. pp. 91-101.