УДК 539.4.014.13:624.953:043 На правах рукописи
advertisement
УДК 539.4.014.13:624.953:043 На правах рукописи АБШЕНОВ ХАСЕН АСАНБЕКОВИЧ Прочность и долговечность вертикальных цилиндрических резервуаров с учетом остаточных напряжений в сварных соединениях 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Республика Казахстан Шымкент, 2010 Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Айнабеков А.И. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Свиденко В. Н. кандидат технических наук Турымбетов Т. А. Ведущая организация: Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева Защита состоится 30 сентября 2010г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012 г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5. С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ЮжноКазахстанского государственного университета им. М.Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, каб. 215. Автореферат разослан «_____» августа 2010г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 14.23.01 доктор технических наук, профессор: Волненко А.А. 2 Введение Общая характеристика работы. Развитие экономики Республики Казахстан во многом связано с добычей, переработкой и экспортированием нефти, что требует создания новых и увеличения емкостей существующих нефтехранилищ и пунктов хранения нефти и нефтепродуктов, основным элементом которых являются вертикальные цилиндрические резервуары. Фактический риск крупных аварий резервуаров за последние годы заметно вырос. При этом тяжесть наносимого ущерба и материальных потерь имеет тенденцию к росту, что приводит к необходимости проведения комплексных исследований, направленных на изучение работы конструкций в различных эксплуатационных условиях, разработке научно обоснованных методик расчета резервуаров, а также совершенствованию норм проектирования, решению одной из указанных проблем и посвящена данная работа. Актуальность темы. Вертикальные цилиндрические резервуары наиболее распространенный вид емкостей, предназначенных для хранения сырой нефти и нефтепродуктов. По ряду классификационных признаков они относятся к категории сложных технических систем, аварии которых сопровождаются катастрофическими последствиями. Причинно-следственный анализ отказов резервуаров, показывает, что более половины причин их отказов связаны со сварными соединениями, которые в резервуарах средних объемов могут составить до полутора километров. Если от общих отказов перейти к ресурсным отказам как наиболее катастрофичным, то влияние сварных соединений на реализацию предельного состояния конструкции резервуара становится доминирующим. Логика анализа последствий отказов резервуаров говорит о том, что, поскольку значительная доля ресурсных отказов так или иначе связана со сварными соединениями, то вполне правомерно предположить, что сварные соединения являются «критичными элементами» и работоспособность резервуара определяется состоянием именно сварного соединения. Вместе с тем применение сварки и сварных соединений в конструкциях приводит к необходимости учета остаточных напряжений, высокий уровень которых в зоне соединения неблагоприятно сказывается на циклической прочности резервуара. С увеличением объемов резервуара можно предположить, что необходимо применять стали повышенной прочности. При этом повышение предела текучести и снижение пластических свойств стали будут способствовать сохранению достаточно высоких остаточных напряжений. В связи с этим, проведение комплексных исследований, направленных на изучение влияния остаточных напряжений на прочность сварного соединения при статических и циклических нагрузках, а также разработка методик расчета, учитывающих это влияние, на современном этапе развития отечественного резервуаростроения, является актуальной задачей. Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой, включенной в тематический план НИР ЮКГУ им. М.Ауезова Б-ТН-06-05-06 «Исследова3 ние влияния технологических и эксплуатационных условий на прочность оборудования и конструкций и разработка эффективных методов повышения прочности и защиты от коррозии» на 2005-2010 годы. Целью работы является исследование особенностей распределения остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях конструкций резервуаров, оценка прочности и долговечности резервуаров с учетом этого распределения. В связи с указанной целью определены основные задачи работы: - анализ факторов, вызывающих остаточные напряжения в сварном соединении, условий работы и действующих нагрузок на резервуар, литературных данных по влиянию остаточных напряжений на статическую и циклическую прочность сварных соединений и существующих методов расчета прочности и долговечности резервуаров; - разработка методики проведения испытаний специальных образцов сварных соединений с целью выявления особенностей распределения остаточных напряжений в исходном состоянии после сварки; - экспериментальное исследование особенностей распределения остаточных напряжений в сварных соединениях при статическом нагружении в зависимости от прочностных характеристик стали, уровня рабочих напряжений и примененных способов снятия остаточных напряжений; - экспериментальная оценка влияния остаточных напряжений на малоцикловую прочность сварных соединений в зависимости от прочностных характеристик стали, уровня рабочих напряжений и примененных способов снятия остаточных напряжений; - теоретическое исследование распределения остаточных напряжений в исходном состоянии после сварки и приложения рабочей нагрузки, и разработка методики учета остаточных напряжений при расчете прочности сварных соединений; - разработка мероприятий по снижению остаточных напряжений в сварном стыковом соединении. Научная новизна работы состоит в: - установленном при экспериментальном исследовании образцов сварных соединений характере распределения остаточных напряжений в зависимости от прочностных характеристик стали, толщины свариваемых элементов и вида напряженного состояния; - оценке характера распределения остаточных напряжений в образцах сварных соединений в зависимости от уровня рабочих напряжений; - оценке влияния высокочастотной механической проковки на распределение и уровень остаточных напряжений, и малоцикловую прочность сварных соединений; - оценке роли влияния остаточных напряжений на малоцикловую прочность сварных соединений в зависимости от прочностных характеристик стали, уровня рабочих напряжений и предварительной механической обработки зоны сварного шва; 4 - усовершенствованной инженерной методики оценки остаточных напряжений в сварных соединениях с взаимно примыкающими и пересекающимися швами; - разработанной инженерной методики учета остаточных напряжений в расчете малоцикловой прочности сварных стыковых соединений резервуаров. Научные положения, выносимые на защиту: - характер распределения остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях в зависимости от прочностных свойств стали, толщин свариваемых элементов, уровня рабочих напряжений и предварительной механической обработки; - выявленные закономерности влияния характера распределения остаточных напряжений в зоне сварного шва на малоцикловую прочность стыковых соединений резервуаров; - усовершенствованная инженерная методика оценки остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях резервуаров с взаимно примыкающими и пересекающимися швами; - инженерная методика учета влияния остаточных напряжений в расчетах малоцикловой прочности сварного соединения стенки резервуара. Практическая значимость работы заключается в разработанных рекомендациях по учету остаточных напряжений в расчетах малоцикловой прочности сварных соединений и ее неблагоприятное влияние на долговечность резервуара. Усовершенствованная методика определения остаточных напряжений в сварных соединениях с взаимно пересекающимися и примыкающими швами, позволит оценить уровень остаточных напряжений в соединениях в зависимости от прочностных характеристик сталей, от очередности выполнения сварки швов и уровня рабочих напряжений. В работе научно обоснован и предложен в качестве метода снятия остаточных напряжений и повышения малоцикловой прочности сварных соединений способ высокочастотной механической проковки, которая отличается экономичностью, мобильностью и эффективностью действия. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обусловлена корректной постановкой цели и задач исследования, применением стандартных методик испытаний образцов, использованием в теоретических исследованиях основ теории упругости и пластичности, сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей, достаточной степенью апробации результатов работы и их внедрением в производство. Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в ТОО «Шымкент Октан» и «Юсталькон» с общим экономическим эффектом в сумме 2,42 млн. тенге и применяются при проектировании и изготовлении стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. Разработанные рекомендации по учету остаточных напряжений в расчетах малоцикловой прочности сварных стыковых соединений резервуаров, со5 гласованы и внедрены в ТОО «Юсталькон» для использования в поверочных расчетах проектируемых, эксплуатируемых и реконструируемых резервуаров. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных и научно-практических конференциях: «Современные проблемы механики» (г.Самарканд, 2007г.); «Вторые Ержановские чтения» (г.Актобе, 2007г.); конференция, посвещенная 70 – летию проф. Т.Байтелиева (г.Туркестан 2008г.); «Ауезовские чтения -8: Научные достижения-основа культурного и экономического развития цивилизации» (г.Шымкент, 2009г.); «Динамика современной науки» (г.София, Болгария, 2010г.); «Прикладные научные разработки» (г.Пшемысль, Польша, 2010г.). Основная часть Во введении дана общая характеристика работы, основание и исходные данные для разработки темы, сведения о метрологическом обеспечении диссертационной работы, обосновывается необходимость проведения настоящих исследований и актуальность темы работы, описаны объект, предмет и методы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна, практическая значимость и степень реализации результатов работы, описаны положения, выносимые на защиту, их обоснованность и достоверность. В первом разделе представлены результаты анализа современного состояния проблемы остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях цилиндрических оболочек, изучены факторы, вызывающие эти напряжения, требования норм проектирования резервуарных конструкций, касающихся остаточных напряжений в сварных соединениях, анализ условий работы и нагрузок, действующих на резервуар. Дан обзор работ, посвященных исследованиям влияния остаточных сварочных напряжений на напряженно-деформированное состояние и на усталостную прочность сварного соединения, среди которых выделены работы Н.О.Окерблома, Б.Е.Патона, Г.А.Николаева, В.А.Винокурова, С.А.Куркина, В.М.Саганевича, А.А. Григорянца, Г.Б.Толпова, В.С.Игнатьевой, В.Ф.Лукьянова, О.И.Стеклова, M. Jonson, L. Karlsson, E.F. Rybicki, J.R. Shadley, T. Sakai, T. Tanaka. и др. Отмечается, что в резервуаростроении наметилась тенденция увеличения объемов резервуаров с одновременным снижением металлоемкости за счет повышения прочностных характеристик стали. Однако с повышением прочности стали уменьшается возможность пластических деформаций, что приводит к сохранению достаточно высокого уровня сварочных остаточных напряжений. Указывается, что существующие нормы проектирования резервуаров не регламентируют учет остаточных напряжений в расчетах прочности и малоцикловой усталости резервуаров, отмечая лишь необходимость их снижения в определенных узлах, соединениях и элементах в основном термической обра6 боткой, которая требует значительных затрат при низкой эффективности снижения уровня остаточных напряжений в соединении. По результатам проведенного обзора литературных источников определены цель и задачи исследования. Во втором разделе работы описана методика экспериментального исследования влияния остаточных напряжений на прочность и усталость сварного стыкового соединения. В связи с тем, что в резервуарных конструкциях в основном используются стали низкой и средней прочности, в исследованиях были использованы образцы из малоуглеродистой стали ВСт3сп5 и низколегированной стали 09Г2С. Механические характеристики исследуемых сталей, определены испытаниями стандартных образцов по ГОСТ 1497-84. Выбор указанных сталей обусловлен достаточно широким использованием их в резервуарах, а также значительным различием механических свойств, что позволило дать оценку остаточным напряжениям в зависимости от прочностных свойств материала. Экспериментальные исследования проводились на образцах четырех типов, основные характеристики которых приведены в таблице 1. Таблица 1- Основные характеристики испытанных в работе образцов Тип образца А Схема Характеристика состояния при испытании после сварки Размеры образца, мм после механической проковки 400х40 после сварки Б после механической проковки после механической проковки после механической проковки ВСт3сп5 09Г2С Количество образцов 3 3 10 16 10 16 ВСт3сп5 09Г2С ВСт3сп5 09Г2С 3 3 3 3 10 16 10 16 ВСт3сп5 09Г2С ВСт3сп5 09Г2С 3 3 3 3 10 16 ВСт3сп5 09Г2С 3 3 10 16 ВСт3сп5 09Г2С 3 3 10 16 ВСт3сп5 09Г2С 3 3 800х40 после сварки Г Марка стали 200х40 после сварки В Толщина образца, мм 10 16 800х40 7 Сварные швы в образцах толщиной 10мм сваривались ручной дуговой электросваркой в четыре прохода и в образцах толщиной 16мм – в 6 проходов. Сварки образцов из стали ВСт3сп5 производили электродами УОНИ13/45, образцов из стали 09Г2С – электродами УОНИ-13/55. Режим сварки: сварочный ток 170-200А, напряжение на дуге 25-26В, скорость сварки для 1-2 слоя 27∙10-4м/с, для 3-6 слоев 16∙10-4м/с. Исследование напряженно-деформированного состояния образцов производилось методом тензометрии. В качестве первичных преобразователей деформации выбраны фольговые тензорезисторы 2ФКПА с базой 5мм, а вторичной измерительной аппаратурой служил автоматический измеритель деформации АИД-4М в комплекте с автоматическим переключателем АП-1. Статические испытания образцов производились на гидравлической разрывной машине ГРМ–1А, а циклические испытания на машине ЦДМ-200пу. Для определения остаточных напряжений в образцах использовался метод сечений, согласно которому образец с тензодатчиками разрезался на темплеты. При разрезке происходила разгрузка локальной зоны металла и определялась усредненная на базе разрезки относительная деформация. Нулевой отчет по тензодатчикам снимался до разрезки, а последующие показания после разрезки. По разнице указанных деформаций определялась искомая величина относительной деформации. Переход от экспериментальных значений деформации к напряжениям осуществлялся по формулам: 1 E 1 2 ; 1 2 2 E 2 1 1 2 (1) Циклическое нагружение растягивающим усилием производилось с коэффициентом асимметрии цикла 0,1…0,15. Величина нагрузки соответствовала усилиям 250…350кН, 400…500кН, 600…900кН. При испытании образцов давалась общая оценка циклической работоспособности сварного соединения в двух стадиях: до появления макротрещины и при ее распространении, а также выявлялась эффективность применения высокочастотной механической проковки в качестве способа снижения остаточных напряжений в сварных соединениях. В третьем разделе представлены результаты экспериментов по оценке распределения остаточных напряжений в зоне сварных соединений в исходном состоянии после сварки, при статическом и циклическом нагружении. На первом этапе произведена оценка начального распределения остаточных напряжений в образцах сварных соединений. Анализ эпюр распределения остаточных напряжений в образцах сварных соединений показал, что при лобовых и фланговых одинарных швах распределение остаточных напряжений имеет одноосный характер и их максимальное значение наблюдается в зоне сварного соединения, а в образцах с примыкающими и пересекающимися швами – двухосное распределение остаточных напряжений. В сварных стыковых соединениях с взаимно пересекающими и примыкающимися швами в зоне примыкания и пересечения швов выявлены отожженные 8 ,Ì Ï à î ñò Ï ðî äî ëüí û å î ñòàòî ÷í û å í àï ðÿæåí èÿ Ï ðî äî ëüí û å î ñòàòî ÷í û å í àï ðÿæåí èÿ î ñò ,Ì Ï à участки в выполненном первым по очередности шве. В указанных участках наблюдался более сложный характер распределения напряжений. Установлено, что уровень остаточных напряжений в зоне сварного соединения значительно снижается при их обработке механической проковкой. Механическая обработка сварных образцов обеспечила снижение остаточных напряжений до 78% в зависимости от механических свойств свариваемых сталей и характера распределения остаточных напряжений в зоне соединения. На втором этапе испытаний исследовалось влияние статического нагружения на уровень остаточных напряжений в зоне сварного соединения и выявлено, что при статическом нагружении образцов более интенсивное снижение остаточных напряжений происходило в стыковых соединениях с фланговыми швами изготовленных из стали ВСт3сп5. В аналогичных образцах сварных соединений из стали 09Г2С при нагрузках близких к пределу текучести основного металла сохранялся высокий уровень остаточных напряжений. В образцах сварных соединений, обработанных механической проковкой, в процессе их нагружения остаточные напряжения практически стали равны нулю. В соответствии с рисунком 1, статическое нагружение образцов приводит к снижению остаточных напряжений в зоне сварного шва и это снижение во многом зависит от материала соединения и величины нагрузки. Êî î ðäèí àòà ï ðî äî ëüí î ãî ø âà , 10 ì -2 Êî î ðäèí àòà ï ðî äî ëüí î ãî ø âà , 10 ì а) -2 б) 1,5 – после сварки; 2 – после нагружения 270 МПа; 3 – после нагружения 300 МПа; 6 – после нагружения 400 МПа; 4, 7 – после механической проковки; а) сталь Вст3сп5 и б) сталь 09Г2С Рисунок 1– Распределение остаточных напряжений в образцах с продольным швом после нагружения статической нагрузкой 9 На последнем этапе испытаний оценено влияние остаточных сварочных напряжений на малоцикловую прочность сварного соединения. Зная, что двухосное распределение остаточных напряжений наблюдались в образцах с взаимно примыкающими и пересекающимися швами, а одноосное - в лобовых и фланговых одинарных швах, а также учитывая предположение, что наиболее неблагоприятными зонами сварного стыкового соединения, где возможно появление усталостных трещин, являются зоны с высоким уровнем остаточных напряжений влияние остаточных напряжений на циклическую прочность исследовалось на образцах с примыкающими и пересекающимися швами. Результаты экспериментов показали, что величина начальных рабочих напряжений существенно влияет на долговечность соединения, изменяя характер распределения исходных остаточных напряжений, а снижение их уровня во многом зависит от направления действия силового фактора. Циклические испытания образцов сварных соединений показали, что при двухосном распределении остаточных напряжений их влияние на малоцикловую прочность соединения увеличивается. При этом двухосное распределение остаточных напряжений наблюдалось в образцах с пересекающимися швами, уровень которых зависел от последовательности выполнения швов. Неблагоприятное распределение остаточных напряжений наблюдался в том случае, когда последним выполнялся поперечный шов. Высокочастотная механическая проковка образцов сварных соединений, в результате которой уровень остаточных напряжений в образцах снижался от 1,8 до 2,6 раз, оказывает благоприятное действие на циклическую работу соединения увеличивая долговечность соединения до 3 раз. Оценка совместного влияния на малоцикловую прочность остаточных напряжений и прочностных свойств стали сварного соединения указывал на то, что при рабочих напряжениях близких к пределу текучести основного металла преобладающим фактором являются механические свойства металла, а с уменьшением рабочих напряжений преобладающим фактором становятся остаточные напряжения. В связи с этим при высоких эксплуатационных циклических нагрузках целесообразно использовать электроды, прочностные характеристики которых приблизительно равны прочностным характеристикам основного металла, а при более высоких нагрузках целесообразно использование электродов, обеспечивающие высокие прочностные свойства металла шва. Результаты циклических испытаний образцов сварных соединений показывают, что характер разрушения образцов с пересекающимися швами происходит по поперечному шву, что указывает на ограниченность долговечности сварного соединения долговечностью зоны пересечения швов соединения. Характер разрушения обработанных механической проковкой образцов сварных соединений существенно отличается от характера разрушения необработанных образцов тем, что трещина в них развивается в околошовной зоне за пределами поперечного шва, что указывает на устранение механической обработкой двухосного распределения остаточных напряжений. В четвертом разделе обсуждаются результаты теоретических исследований влияния остаточных напряжений на прочность и малоцикловую усталость сварно10 го соединения. Рассматривая взаимодействие остаточных сварочных напряжений и напряжений от внешних силовых воздействий, и, основываясь на формулах связи между деформациями и напряжениями теории упругости получены формулы для определения интенсивности напряжений и деформации в виде: 2 i 2k 1 k k 2 2 . x , i x2 1 k k 2 3 i T 1 3 T 2 (2) Произведена расчетная оценка распределения остаточных напряжений в сварном соединении в исходном после сварки состоянии. При этом использован метод «фиктивных температур», согласно которому задача определения остаточных напряжений сводится к решению температурной задачи теории упругости и пластичности. Распределение остаточных напряжений по оси сварного стыка предложено вычислять по выражениям: ОСТ iу max m 4K y K y Ф ОСТ 2 2 l l 1 exp K y x 1 exp K y x 2 2 l l x x 2 2 l l 2 K y x K y Ф 2 K y x , 2 2 2 2 l l 1 exp K y x 1 exp K y x 2 2 iу max m l l 4K y x x 2 2 (3) (4) Рассмотрены числовые примеры расчета распределения остаточных напряжений в сварных соединениях с пересекающими и примыкающимися швами при двух уровнях тепловой нагрузки 168 МДж/м2 - характерной для ручной дуговой сварки и 336 МДж/м2 - характерной для автоматической сварки. В качестве примера, результаты расчета распределения остаточных напряжений в зоне пересекающихся швов в сварном соединении из стали ВСт3сп5 в виде эпюр остаточных напряжений приведены на рисунке 2. На основе результатов исследования и существующей методики оценки малоцикловой прочности тонкостенных оболочек разработана новая инженерная методика расчета малоцикловой прочности резервуаров, которая учитывает неравномерность распределения остаточных напряжений в сварном соединении. Новизна предлагаемой методики заключается в том, что влияние остаточных напряжений на малоцикловую усталость сварного соединения учитывается через предел выносливости сварного соединения, который зависит от уровня 11 î ñòàòî ÷í û å í àï ðÿæåí èÿ, î ñò , Ì Ï à 300 200 100 0 -100 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 200 100 0 -100 -8 8 êî î ðäèí àòà òî ÷êè ñå÷åí èÿ , , ñì í àï ðÿæåí èå î ñò, î ñü ø âà î ñü ø âà î ñòàòî ÷í û å í àï ðÿæåí èÿ, î ñò , Ì Ï à 300 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 êî î ðäèí àòà òî ÷êè ñå÷åí èÿ, , ñì í àï ðÿæåí èå î ñò а) б) 2 а) при тепловой нагрузке 168 МДж/м , б) при тепловой нагрузке 336 МДж/м2 Рисунок 2 - Распределение остаточных напряжений в зоне пересекающихся швов в сварном соединении из стали ВСт3сп5 остаточных напряжений в сварном соединении. Получены формулы, связывающие остаточные напряжения в сварном соединении и их предел выносливости. Проведены расчеты малоцикловой усталости резервуаров и показано соответствие результатов экспериментов и расчетных данных, что подтверждает обоснованность проведения расчетов по разработанной методике и необходимость учета остаточных напряжений в расчетах. Результаты работы внедрены в ТОО «Юсталькон» и «Шымкент Октан» с общим экономическим эффектом в сумме 2,42 млн. тенге. Заключение Краткие выводы по результатам диссертационных исследований: 1. Исследование характера распределения остаточных напряжений в образцах сварных соединений в исходном после сварки состоянии показало, что при лобовых и фланговых одинарных швах наблюдается одноосное распределение остаточных напряжений, а при взаимно примыкающих и пересекающихся швах – их двухосное распределение. Неблагоприятное распределение остаточных напряжений и их высокий уровень в указанных швах наблюдался в том случае, когда последним выполнялся поперечный примыкающий или пересекающийся шов. При этом с повышением прочностных свойств стали и толщины свариваемых элементов уровень остаточных напряжений увеличивается. 2. В сварных стыковых соединениях с пересекающимися и примыкающими швами в зоне примыкания и пересечения швов выявлены отожженные участки в выполненном первым по очередности шве. В указанных участках наблюдался более сложный характер распределения остаточных напряжений и их концентрация. Наибольшие значения остаточных напряжений были выявлены по оси продольного шва в сварных соединениях, выполненных из низколегированной стали. 12 3. При статическом нагружении образцов сварных соединении более интенсивное снижение остаточных напряжений происходило в стыковых соединениях с фланговыми швами изготовленными из малоуглеродистой стали. В аналогичных сварных соединениях, выполненных из низколегированной стали, при нагрузках близких к пределу текучести основного металла, сохранялся достаточно высокий уровень остаточных напряжений. 4. Оценка совместного влияния на малоцикловую прочность остаточных напряжений и прочностных свойств стали сварного соединения показал, что при рабочих напряжениях близких к пределу текучести основного металла преобладающим фактором являются механические свойства металла, а с уменьшением рабочих напряжений преобладающим фактором становятся остаточные напряжения. 5. Уровень остаточных напряжений в зоне сварного соединения значительно снижается при их обработке высокочастотной механической проковкой. Механическая обработка сварных образцов, создавая поверхностные пластические деформации образцов, обеспечивают снижение остаточных напряжений до 78% в зависимости от механических свойств свариваемых сталей и характера распределения остаточных напряжений в зоне сварного соединения, а также увеличивают долговечность стыковых сварных соединений с примыкающими и пересекающимися швами до 3 раз. 6. Циклические испытания образцов сварных соединений показали, что долговечность соединений во многом зависит от характера распределения остаточных напряжений в зоне сварного соединения. Наименьшая долговечность наблюдались в стыковых соединениях с примыкающими и пересекающимися швами, где в исходном после сварки состоянии происходило двухосное распределение остаточных напряжений. Разрушения образцов с пересекающимися швами происходят по поперечному шву, что указывает на ограниченность долговечности сварного соединения долговечностью зоны пересечения швов соединения. Характер разрушения образцов сварных соединений, обработанных механической проковкой, отличается от характера разрушения необработанных образцов. Трещина в обработанных образцах развивается в околошовной зоне за пределами шва, что указывает на устранение механической обработкой двухосного распределения остаточных напряжений и снижение ее уровня. 7. Анализ данных испытаний образцов сварных соединений приводит к выводу, что при высоких эксплуатационных циклических нагрузках целесообразно использовать электроды, прочностные характеристики которых приблизительно равны прочностным характеристикам основного металла, а при более высоких нагрузках целесообразно использование электродов, обеспечивающих высокие прочностные свойства металла шва. 8. Рассматривая взаимодействие остаточных сварочных напряжений в продольном шве сварного соединения с напряжениями от внешних силовых воздействий, и основываясь на формулах связи между деформациями и напряжениями в произвольных осях теории упругости, получены формулы для определения интенсивности напряжений и деформации, а также частные случаи задачи. Указано, 13 что взаимодействие остаточных напряжений и напряжений от внешних силовых воздействий может вызвать жесткую работу стыкового соединения и ухудшить напряженное состояние соединения. 9. Обоснована возможность расчета остаточных сварочных напряжений в зонах взаимно примыкающих и пересекающихся швов сварного стыкового соединения по методу «фиктивных температур» и разработан порядок расчета. Расчет сварных стыковых соединений по указанной методике показал, что наиболее высокий уровень остаточных напряжений наблюдается в зонах примыкания и пересечения швов, где наблюдается концентрация остаточных напряжений. Напряженное состояние данной зоны характеризуется двухосностью, что неблагоприятно влияет на циклическую прочность соединения и увеличивает вероятность появления усталостных трещин. 10. На основе результатов исследования и существующей методики оценки малоцикловой прочности тонкостенных оболочек разработана инженерная методика расчета малоцикловой прочности резервуаров. Новизна предлагаемой методики заключается в том, что влияние остаточных напряжений на малоцикловую усталость сварного соединения учитывается через предел выносливости сварного соединения, который зависит от уровня остаточных напряжений в сварном соединении. Получены формулы, связывающие остаточные напряжения в сварном соединении и их предел выносливости. Оценка полноты решений поставленных задач. На основе проведенных комплексных исследований получены результаты, которые обосновали необходимость учета при проектировании резервуаров остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях и обеспечили инженерное решение установленной проблемы. Разработанные рекомендации по учету остаточных напряжений в расчете малоцикловой прочности сварных стыковых соединений резервуаров и их внедрение в производство, позволяют считать, что цель работы достигнута, поставленные задачи решены в полном объеме. Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Разработанные методики расчета малоцикловой усталости с учетом остаточных напряжений, рекомендации по учету остаточных напряжений в расчете малоцикловой прочности сварного соединения могут быть рекомендованы инженерно-техническим работникам различных организаций при модернизации, ремонте, проектировании и эксплуатации вертикальных цилиндрических резервуаров. Исходными данными для использования результатов исследования являются типовые конструктивные решения резервуаров, характеристики материалов соединения и сварки, исходные режимы сварки, конструктивные параметры соединений. Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты диссертационного исследования внедрены в ТОО «Шымкент Октан» и «Юсталькон» с общим экономическим эффектом в сумме 2,42 млн.тенге. Разработанные рекомендации по учету остаточных напряжений в расчетах малоцикловой прочности сварных стыковых соединений резервуаров внедрены в ТОО «Юсталькон» для использования в расчетах проектируемых, 14 эксплуатируемых и реконструируемых резервуаров, а также при прогнозировании их остаточного ресурса и долговечности. Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. В работе получили дальнейшее развитие методы оценки распределения остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях и расчета их малоцикловой прочности. Предложенные методики расчета выгодно отличаются от существующих соответствием реальным процессам, происходящим при сварке соединения и его нагружении. Полученные результаты могут быть с успехом применены и в расчетах цилиндрических оболочек различного назначения: газгольдерах, сосудах и аппаратах, цистернах и трубопроводах больших диаметров и т.д. Условные обозначения: i - интенсивность относительной деформаций, е.о.д; i - интенсивность напряжений, МПа; x , y - составляющие деформаций вдоль и поперек оси шва, е.о.д; k ОСТ ОСТ - соотношение остаточных сварочных напряжений вдоль и поперек оси шва; T -предел текучести материала, МПа; xu ширина области распространения пластических деформации м; - коэффициент температурного расширения, 0С-1; l - расчетная длина, м; Фu - функция интеграла вероятности, значения которых определяются из справочных источников; ОСТ , ОСТ - составляющие остаточных напряжений, направленных вдоль и поперек оси шва, МПа; Список опубликованных работ по теме диссертации 1 Айнабеков А.И., Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. Выбор оптимального варианта схемы разрезки шва при определении сварных, остаточных напряжений // Механика и моделирование процессов технологии. – Тараз, 2006.- №1. –С.24-31. 2 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. Расчетный порядок определения амлитудных значений напряжений в обечайке и днище корпусов сосудов и аппаратов при циклическом нагружении. // Материалы межднар. научно-техн. конф. «Современные проблемы механики».- Самарканд, 2007. - Книга 3. -С. 15-18. 3 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. // Материалы междунар. научно – техн. конф. «Вторые Ержановские чтения». – Актобе, 2007. - С.19-24. 4 Айнабеков А.И., Укибаев М.К. Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. О требованиях норм к сталям резервуарных конструкций // Труды Республиканской научнопрактической конференции к 70 –летию проф. Байтелиева Т.Б. - Туркестан, 2008. - С.50-53. 5 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абшенов Х.А. О методике расчета назначенного ресурса эксплуатации резервуаров // Тр. Межд. науч.-практ. конф. 15 «Ауезовские чтения-8: Научные достижения - основа культурного и экономического развития цивилизации». - Шымкент, 2009. – Т.6. - С.208-210. 6 Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Шупахова Р.А., Абшенов Х.А. Напряженно-деформированное состояние элементов резервуарных конструкций в области перед вершиной трещины с учетом его взаимодействия с полем сварочных остаточных напряжений // Механика и моделирование процессов технологии. – Тараз, 2010. - № 1. –С.32-36. 7 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абшенов Х.А., Мамбеталиева У.Д. Расчетное определение остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях цилиндрических резервуаров // Механика и моделирование процессов технологии. – Тараз, 2010. - № 1. –С.152-155. 8 Айнабеков А.И., Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. Определение остаточных напряжений в сварных соединениях резервуаров методом разрезок // Механика и моделирование процессов технологии. – Тараз, 2010. - № 1. –С.160-164. 9 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абшенов Х.А., Мамбеталиева У.Д. Экспериментальная оценка остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях резервуаров // Вестник МКТУ им. Х.А. Ясави – Туркестан, 2010. - № 4-5. - С.17-20. 10 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Ешимбетов Ш.Т., Абшенов Х.А. Взаимодействие поля сварочных остаточных напряжений полем напряженности области перед вершиной трещины // Материали за VI международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука - 2010» – София, 2010. Т. 9 - С. 11-15. 11 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абшенов Х.А. Распределение остаточных напряжений в сварных стыковых соединениях конструкций резервуаров // Материали за VI международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука - 2010» – София, 2010. Т. 9 - С. 15-20. 12 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Абшенов Х.А., Звягина З.А. Расчет малоцикловой прочности резервуаров с учетом остаточных напряжений в зоне сварного соединения //Materiały VI międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Stosowane naukowe opracowania - 2010» Przemyśl – 2010. Т.7 - С.7-10. 16 Абшенов Хасен Асанбекұлы «Дәнекерленген жалғаулардағы қалдық кернеулерді ескергендегі тік цилиндрлі резервуарлардың беріктігі мен ұзақ мерзімділігі» 01.02.04 –Деформацияланатын қатты дене механикасы мамандығы бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін алуға арналған диссертацияға ТҰЖЫРЫМ Зерттеу нысаны. Мұнай мен мұнай өнімдерін сақтауға арналған болат тік цилиндрлі резервуарлар. Жұмыстың мақсаты. Резервуарлар конструкцияларындағы дәнекерленген түйістірмелі жалғаулардағы қалдық кернеулердің таралу ерекшеліктерін зерттеу және осы таралуды ескере резервуарлардың беріктігі мен ұзақ мерзімділігін бағалау. Жұмысты жүргізу тәсілдері мен әдістері. Типтік үлгілерді тәжірибелік зерттеулер тензометрлік өлшеу әдістеріне сүйенген сынаудың стандарттық және қолданылып жүрген тәсілдері негізінде жүргізілген. Дәнекерленген жалғаулардағы қалдық кернеулерді анықтау тәжірибелік жолмен қималау (кесу) тәсілімен, ал теориялық жолмен – «жалған температуралар» тәсілімен жүргізілген. Жұмыс нәтижелері: -дәнекерленген үлгілерді тәжірибелік зерттеу арқылы болаттың беріктік қасиеттеріне, дәнекерленуші элементтердің қалыңдығына және кернеулену күйінің түріне байланысты қалдық кернеулердің таралу ерекшелігі айқындалды; - дәнекерленген жалғаулар үлгілеріндегі қалдық кернеулердің таралу ерекшелігі жұмыстық кернеулердің деңгейіне байланысты бағаланды; жоғары жиіліктегі механикалық соққының қалдық кернеулердің таралуына және дәнекерленген жалғаулардың кіші циклді беріктігіне әсері бағаланды; дәнекерленген жалғаулардағы қалдық кернеулердің кіші циклды беріктігіне тигізетін әсері және оның болаттың беріктік сипаттамаларына, жұмысшы кернеулердің деңгейіне, дәнекерленген жалғау тігісі аймағын алдын ала механикалық жолмен өңдеуге тәуелділігі анықталған; - дәнекерленген жалғаулардағы қалдық кернеулердің сыртқы күш әсерлерінен орын алатын кернеулермен өзара байланыстарын қарастыра серпімділік теориясының деформациялар мен кернеулер арасындағы байланыстар формулалары негізінде кернеулер мен деформациялардың қарқындылығын анықтауға арналған формулалар алынды;-қиылысатын және түйістірілетін тігісті дәнекерленген жалғаулардағы қалдық кернеулерді бағалаудың инженерлік әдістемесі жетілдірілді; - резервуарлардың дәнекерленген жалғауларының кіші циклді беріктігін есептеу барысында қалдық кернеулерді есепке алудың инженерлік әдістемесі жасалынды. Негізгі конструкциялық, технологиялық және техника экономикалық сипаттамалар. Жүргізілген зерттеулер нәтижелері бойынша жұқа қабырғалы 17 қабықшалардың дәнекерленген жалғауларындағы қалдық кернеулерді бағалау және дәнекерленген жалғауларының кіші циклды беріктігін анықтау барысында есепке алу әдістемелері ұсынылған, сонымен қатар цилиндрлік қабықшалардың дәнекерленген жалғауларының кіші циклды беріктігін есептеу барысында қалдық кернеулерді ескеру ұсыныстары дайындалды. Жұмыс нәтижелерін ендіру деңгейі. Диссертациялық зерттеулер нәтижелері «Шымкент Октан» және «Юсталькон» ЖШС-інде болат тік цилиндрлі резервуарларды жасау және жобалау барысында қолдану үшін енгізілген. Жалпы экономикалық тиімділік мөлшері 2 420 000 теңгені құрады. Резервуарлардың дәнекерленген жалғауларының кіші циклдік беріктігін есептеу барысында қалдық кернеулерді есепке алу бойынша жасалған ұсыныстар «Юсталькон» ЖШС-не резервуарлардың кіші циклды беріктігін техникалық есептеулерде пайдалануға ұсынылды. Енгізу ұсыныстары немесе ғылыми-зерттеу жұмысы нәтижелерін енгізу қорытындылары. Жұқа қабырғалы қабықшалардың дәнекерленген жалғауларындағы қалдық кернеулерді бағалау және олардың кіші циклді беріктігін есептеуде есепке алу әдістемелері, сонымен қатар цилиндрлік қабықшалардың дәнекерленген жалғауларының кіші циклді беріктігін есептеуде қалдық кернеулерді есепке алу бойынша дайындалған ұсыныстар өнеркәсіптің әр түрлі салаларының жобалау және ғылыми-зерттеу институттарының инженерліктехникалық қызметкерлеріне тік цилиндрлі резервуарларды есептеу мен жобалау әдістерін жетілдіру үшін ұсынылады. Қолдану саласы. Жұмысты орындау барысында алынған нәтижелер тік цилиндрлі резервуарлар кеңінен қолданылатын мұнай және мұнай өндеу, энергетика және химиялық өнеркәсіптер салаларында, сонымен қатар жоғары оқу орындарында студенттер мен магистрантарға арналған арнайы курстардың бірқатар техникалық пәндерін оқытуда қолданылуы мүмкін. Жұмыстың экономикалық тиімділігі немесе маңыздылығы. Жүргізілген зерттеулер нәтижелері қалдық кернеулердің резервуарлардың беріктігі мен ұзақ мерзімділігіне тигізетін әсерін ескеруге, резервуарлардағы штаттан тыс жағдайлардың санын азайтуға мүмкіндік береді. Қалдық кернеулерді бағалаудың ұсынылып отырған әдістемелері мен оларды беріктік пен кіші циклді қажуын есептеу барысында есепке алу бойынша жасалған ұсыныстар резервуарлардың дәнекерленген жалғауларындағы жұмысын анық бейнелеуге мүмкіндік береді. Зерттеу нысанын дамытудың жобалық болжамы. Қалдық кернеулерді бағалаудың ұсынылып отырған әдістемелері мен оларды резервуарлардың беріктігі мен кіші циклді қажуын есептеу барысында есепке алу бойынша жасалған ұсыныстар әр түрлі цилиндрлік қабықшаларды: цистерналарды, газгольдерлерді, ұлкен қысымда жұмыс істейтін ыдыстар мен аппараттарды, магистральдық құбырларды жобалауда пайдаланылуы мүмкін. Зерттеу нысаны цилиндрлік қабықшалардың дәнекерленген жалғауларындағы қалдық кернеулердің таралу эпюраларының үлгілік каталогын жасау бағытында дамытылуы мүмкін. 18 Abshenov Khassen Asanbekovich « Strength and durability of vertical cylindrical thanks taking residual pressure in welded compounds into account » 01.02.04 –Mechanics of deformed solid substances for the researching degree candidate of technique SUMMARY The object of the research are steel vertical cylindrical thanks for oil and oil products. The aim of the work is research of features of distribution of residual pressure in welded butt thanks designs compounds, an estimation of strength and durability of thanks taking this distribution into account. Method and methodology of carrying out of work. Experiments were held on the basis of the standard and approved techniques of carrying out of tests of the typical samples based on strain-gauge-type methods of measurement. Definition of residual pressure in welded compounds was experimentally made by a method of section (severing cut), and theoretically – using «fictitious temperatures» method. Work results: - character of distribution of residual pressure was established by experimental researches of welded samples depending on strength properties of steel, welded elements thickness and a type of tension state; - character of distribution of residual pressure in samples of welded compounds depending on working pressure level was estimated; - the influence of a high-frequency mechanical prosmithery on distribution of level of residual pressure and little cyclic strength of welded compounds was estimated; - the role of residual pressure on little cyclic strength of welded compounds and their dependence from strength properties of steel, level of working pressure, preliminary machining of a zone of a welded junction was revealed; - considering interaction of residual welding pressure in welded compounds with pressure from external power influences on the basis of communication formulas between deformations and pressure of the theory of elasticity formulas were received for definition of intensity of pressure and deformation; - an engineering technique of an estimation of residual pressure in welded compounds with adjoined and crossed junctions was improved; - to the developed engineering technique of the account of residual pressure in calculation little cyclic strength of welded butt compounds of thanks. The basic constructive, technological and operational characteristics. By results of the held researches techniques of an estimation of residual pressure in welded butt compounds of thin-walled covers and their account in little cyclic calculations strength welded compounds were offered, and also recommendations about the account of residual welding pressure in calculation little cyclic strength of butt compounds of cylindrical covers were developed. 19 Implementation degree. Results of dissertational research were introduced in LLC «Shymkent Octane», LLC "Ustalkon" with the general economic benefit in the sum of 2 420 000 tenges and are utilized at designing and manufacturing of steel vertical cylindrical thanks. Recommendations about the account of residual welding pressure in calculation to little cyclic strength of butt compounds of thanks were transferred to LLC "Ustalkon" for use in technical calculations of thanks little cyclic strength. . Recommendations about implementation or research work implementation results. Techniques of an estimation of residual pressure in welded butt compounds of thin-walled covers and their account in calculations of little cyclic strenght of welded compounds, and also the developed recommendations about the account of residual welding pressure in calculation of little cyclic strength of butt compounds of cylindrical covers can be recommended to technical officers of various industries, to design and scientific research institutes to improve the methods of calculation and designing of vertical cylindrical thanks. The field of utilization. The received results can be used in oil and oil refining, power, chemical industries, and transport where vertical cylindrical thanks are widely used, as well as in high schools at teaching students and undergraduates some technical disciplines of a special course. Economic efficiency or the importance of work. Results of the held researches will allow to consider authentically influence of residual pressure on strength and durability of the thanks, to lower non-staff situations on thanks. The offered techniques of an estimation of residual pressure and the recommendation about their account in calculations of strength and little cyclic weariness allow to describe the work of welded thanks compounds more authentically. Inferred assumptions of development of research object. The offered techniques of an estimation of residual pressure and the recommendation about their account in calculations of strength and little cyclic weariness of thanks can be used at designing of various cylindrical covers: thanks, gas-holders, vessels and devices of pressure, the main pipelines. The object of research can be developed in a direction of working out of the catalog typical diagram distributions of residual pressure in welded butt compounds of cylindrical covers and making addition to existing norms of designing. Подписано в печать 27.08.2010г. Формат 60-84 1/16. Бумага ксероксная Заказ № 1807. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Издательский центр Южно-Казахстанского государственного университета им. М.Ауезова. г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5 20
