В монтажном шве вертикальных цилиндрических резервуаров в процессе сварки возникают напряжения и деформации. При неверном расчете данных явлений может произойти авария во время эксплуатации, поэтому при проектировании необходимо корректно определять значения остаточных напряжений и деформаций. В статье рассматривается монтажный стык стенки резервуара, который проваривают на финальной стадии монтажа стенки, будут определены остаточные напряжения и деформации после охлаждения конструкции.
Ключевые слова: строительство, резервуары, сварочные напряжения, деформации.
Сварочные напряжения и деформации — одни из самых сложных термических явлений, которые возникают во время сварки при плавлении металла. В стенках резервуаров часто возникают значительные остаточные деформации, вследствие их относительно небольшой жесткости.
По статистике Международного института сварки, проведенного в 70-е года около 13 % аварий, пришлось на влияние остаточных напряжений. Исходя из этих данный можно сделать вывод, что существует необходимость в расчете сварочных напряжений при проектировании резервуаров.
С помощью программного комплекса ANSYS можно за моделировать процесс сварки элементов расширениями Moving Heat Source и Welding Distortion. Для данной задачи вследствие наличия длинных сварных швов оптимальнее выбрать Moving Heat Source, т. к. он требует меньше ресурсов.
В качестве модели была выбрана часть стенки резервуара, она выделена красным (рис. 1)
Рис. 1 Вертикальный цилиндрический резервуара
С помощью программы SpaceClaim была построена данная модель, затем в программе ANSYS была задана сетка конечных элементов со сгущением в зоне сварного шва (Рис. 2).
Рис. 2. Модель стенки с сеткой конечных элементов.
Для данной модели была выбрана сталь 12Х18Н10Т, которая используется в резервуарах, в которых хранятся криогенные жидкости, а также кислоты, щелочи и соли. Температура жидкости в резервуаре может опускаться до -196 и подниматься до +600℃. Сталь относится к аустенитному классу. Характеристики коэффициента линейного расширения и модуля упругости представлены на рисунках 3 и 4.
Рис. 3. Зависимость коэффициента линейного расширения от температуры.
Рис. 4. Зависимость модуля упругости от температуры.
Температура окружающей среды была смоделирована параметром Convection, зависящим от температуры тела (Рис. 5).
Рис. 5. Параметр конвекции
Граничные условия закрепления для модели — жесткая заделка нижних и боковых граней пластин.
Далее в блоке Transient Thermal был за моделирован тепловой поток, имитирующий процесс сварки пластин с помощью расширения Moving Heat Source. Скорость сварки составила 5 м/с, мощность теплового потока 3х10 7 Вт/м, радиус сварного шва — 5 мм. Общее время сварки швов с двух сторон составило 4000 с, далее идет процесс охлаждения 600с. Параметры одного из тепловых потоков представлены на рисунке 6.
Рис. 6. Параметры теплового потока
В результате расчета в блоке Transient Thermal и Static Structural были получены значения остаточных деформаций и напряжений.
Максимальные перемещения составили 2,99 мм (Рис. 7), максимальные остаточные напряжения составили 338 Мпа (Рис. 8).
Рис. 7. Результаты остаточных деформаций
Рис. 8. Результаты остаточных напряжений
В результате моделирования были получены существенные значения сварочных напряжений и деформаций, из чего можно сделать вывод о значительном негативном влиянии данного явления на работоспоспособность листовых конструкций в вертикальных стальных резервуарах. Эти результаты свидетельствуют о необходимости дальнейших изучений остаточных напряжений во избежание аварий.
Литература:
1. В. А. Винокуров. Сварочные деформации и напряжения // «Машиностроение», 1968.
2. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23–81) // ЦИТП, Москва, 1989.
3. С. М. Куперишвили. Разрушения в процессе эксплуатации вертикальных цилиндрических резервуаров со стационарной крышей [Электронный ресурс] URL: https://www.himstalcon.ru/articles/razrusheniya-v-protsesse-ekspluatatsii-vertikalnyih-tsilindricheskih-rezervuarov-so-statsionarnoy-kryishey (Дата обращения: 05.02.2022)
4. А. Х. Монфаред, А. Ф. Пантеленко. Математическое моделирование сварочных деформаций в тонких пластинах // Белорусский национальный технический университет, 2011. — 7 с.
5. Б. С. Касаткин. Напряжения и деформации при сварке // Вища школа, 1987.
