СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА СТЕНКИ СТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
PREDICTION METHOD OF LIFE TIME OF WALL OF STEEL VERTICAL RESERVOIRS AT LOW-CYCLE LOADING

Предлагаемое изобретение относится к способу определения ресурса стенки стальных вертикальных резервуаров при хранении жидкостей в нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано на складах горюче-смазочных материалов в условиях эксплуатации.
Известен способ [1] прогнозирования остаточного ресурса стенки стальных вертикальных резервуаров при малоцикловом нагружении на расчетной основе механики малоциклового разрушения, заключающийся в том, что стенки стального вертикального резервуара подвергают нагружению и определяют как сумму циклов по двум стадиям циклического разрушения (число циклов до образования макротрещин и число циклов до образования лавинообразной трещины) и расчетным путем определяют число циклов до образования макротрещин. Выявляют неразрушающими методами максимальную длину (глубину) начальной трещины и определяют значение критического коэффициента интенсивности напряжений расчетным методом, соответствующих росту трещины от начальной длины до критической.
Недостатком данного способа прогнозирования является то, что используют значения, определяемые по данным справочника либо экспериментально на подобных образцах, не отражающие реального состояния конкретного резервуара.
Известен способ определения усталостного повреждения материала [2], заключающийся в том, что образец материала подвергают знакопеременному циклическому нагружению, измеряют в процессе нагружения амплитуды деформаций и параметры нагружения в соседних полуциклах, по изменению их соотношений прогнозируют ресурс материала.
Недостатком данного способа является малая точность прогнозирования ресурса материала по величине деформации и невозможность использования данного способа в процессе эксплуатации из-за трудоемкости измерения геометрической деформации стенки вертикального резервуара.
Наиболее близким способом к предлагаемому в изобретении является способ определения усталостного повреждения материала [3], по которому образец материала подвергают циклическому нагружению, измеряют площадь петли гистерезиса, твердость материала, устанавливают их зависимости от числа N циклов нагружения, а о повреждении материала судят по началу появления микротрещин, по изменению поверхностной твердости и площади петли гистерезиса.
Недостатком этого способа является невозможность точного измерения поверхностной твердости стенки резервуара и прогнозирования момента начала лавинообразного развития усталостных трещин, отсутствие критерия оценки ресурса при эксплуатации вертикальных резервуаров и трудоемкость измерения деформации.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа прогнозирования ресурса стенки стальных вертикальных резервуаров при малоцикловом нагружении, обеспечивающего получение технического результата, заключающегося в повышении точности прогнозирования остаточного ресурса стенок стальных вертикальных резервуаров в процессе эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что стенки стальных вертикальных резервуаров подвергают циклическому нагружению, строят петли гистерезиса и измеряют площадь.
Особенностью является то, что измеряют деформацию стенки с помощью лазерного теодолита при различных циклах нагружения - разгружения, которые осуществляют наливом и сливом жидкости, уровень которой измеряют уровнемером, определяют относительный коэффициент внутреннего трения материала, по ним прогнозируют ресурс стенки стальных вертикальных резервуаров.
ц
Величины деформаций стенки стального вертикального резервуара при заполнении жидкостью и при сливе не совпадают, тем самым возникает петля гистерезиса. В зависимости от количества циклов величина площади петли гистерезиса в начале падает до определенной величины, потом начинает возрастать и происходит стабилизация с незначительным ростом микротрещин. Угол, образованный между касательной к функции A=f(N) и осью абсцисс, характеризует рост микротрещин с последовательным изменением внутреннего трения в материале.
ц
ц
кр
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано изменение площади петли гистерезиса A=f(N), где N - число циклов слива - налива жидкости в резервуар; на фиг.2 - микрошлифы стенок резервуара при определенных количествах циклов нагружения и разгружения; на фиг.3 показана область разрушения стенки стального вертикального резервуара с выделенным критическим углом α.
Процесс измерения величины деформации стенки стального вертикального резервуара проводят с помощью лазерного теодолита [4] при различных циклах нагружения - разгружения путем налива и слива жидкости. По уровню налитой жидкости вычисляют действующую нагрузку на единицу площади, то есть напряжения изгиба стенки стального вертикального резервуара, строят петли гистерезиса, вычисляют площадь, по ним - энергозатраты из выражения:
г
г
σ,φ
м
n
J=ƒ(A)=2πAµVк,
г
σ,φ
м
n
где А - площадь петли гистереза; µ - масштабный коэффициент; V - объем материала; к - коэффициент пропорциональности.
ц
0
На фиг.1 представлена характеристика A=ƒ(N). По этой зависимости находят начало зарождения микротрещин N и фон внутреннего трения ϕ при деформации материала
,
i
max
где ΔJ - текущее значение энергозатрат при деформации стенки резервуара; J - максимальное значение энергозатрат для данного материала.
0
0
Точка N (фиг.1) характеризует начало зарождения первых микротрещин в толще металла стенки резервуара. На отрезке N-В происходит их развитие без угрозы аварии. Участок В-С (фиг.3) показывает увеличение энергозатрат, определяемых по площади петли гистерезиса, и снижение относительного коэффициента внутреннего трения λ материала, выраженного в виде
i
0
где ϕ, ϕ - соответственно текущие и допускаемые значения фона внутреннего трения материала.
На фиг.2 показана микроструктура стенки резервуара в состоянии поставки (а), в зоне начала появления микротрещин (б) и в зоне критического значения (в) при различных режимах нагружения.
ц
ц
ц
Оценивая зависимости функции, когда J=ƒ(N)→max и λ=f(N)→0 (фиг.1 и 3), находят угол наклона кривой изменения площади петли гистерезиса, характеризующий скорость роста микротрещин, относительный коэффициент внутреннего трения λ, по ним прогнозируют остаточный ресурс стенки стальных вертикальных резервуаров при малоцикловом нагружении. При достижении угла, образованного касательной к функции и осью абсцисс, критического значения более 65° и приближении λ=ƒ(N) к нулю на стенке стального вертикального резервуара возникают лавинообразные микротрещины, при которых резервуар снимают с эксплуатации для дальнейшей углубленной диагностики и ремонта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса РВС. РД 153-112-017-97. - М.: Нефтемонтаждиагностика, 1997. - 9 с.
2. А.с. СССР 879383, МКИ G01N 3/32. Способ определения усталостного повреждения материала. / Г.П.Иванов, Н.А.Елгаев (СССР). - №2820925/25 - 28; опубл. 07.11.81, Бюл. №41.
3. А.с. СССР 1364955, МКИ G01N 3/32. Способ определения усталостного повреждения материала. / И.Ф.Дьяков, Г.3.Стильбанс (СССР). - №3849119/25-28; опубл., 07.01.88. Бюл. №1.
4. Патент (на полезную модель) РФ №74706. Устройство для измерения геометрической деформации стенки стальных вертикальных резервуаров. / И.Ф.Дьяков, Ю.В.Сулимов, М.В.Кошечкин. 10.07.2008.