Оценка остаточного ресурса вертикальных резервуаров

Опасность первого фактора можно оценить по следующему условию:

где: T — ресурс резервуара, год; δ_min — минимальная измеренная толщина наиболее нагруженного элемента конструкции; [δ_min] — минимально допустимая величина; С — средняя скорость коррозии, мм/год.
Как следует из условия 1, определение остаточного ресурса предполагает знание напряженного состояния элементов конструкции и среднюю скорость коррозии наиболее нагруженной части конструкции.
Оценка влияния второго фактора на остаточный ресурс значительно сложнее.
Развитие эксплуатационного концентратора напряжения (рост коррозионной язвы) приводит к повышению параметров напряженно-деформированного состояния в его вершине. В конечном счете может наступить такой момент, когда напряжения станут равны или больше уровня критических напряжений, при которых образуется макротрещина.
Сопротивляемость металла образования макротрещины целесообразно оценивать с помощью порогового коэффициента интенсивности напряжения Kth, который для конструкционных сталей определяется по зависимости (2):

где: σ_0,2 — предел текучести; d_з — размер зерна металла; R_MCe — сопротивление микросколу; D — коэффициент перенапряжения для многоосного состояния; m — показатель упрочнения.
K_th можно рассчитать, зная лишь стандартные механические характеристики металла. Так, зависимость R_MCe от σ_в и φ записывается R_MCe = 1,6R_MC, где:

(ϕ_к— поперечное сужение).

В свою очередь коэффициент перенапряжения [1]:

где: µ — коэффициент Пуассона (µ = 0,257); m — показатель упрочнения.
Если m неизвестен, то его можно оценить по зависимости:

Таким образом, знание стандартных характеристик конструкционной стали (σ_вр, σ_0,2, φ), позволяет рассчитать пороговый коэффициент интенсивности напряжений K_th, который является физико-механической характеристикой металла.
В работе [1] показано, что предел выносливости (минимальный уровень переменных напряжений, при которых зарождаются трещины), можно оценить по зависимости:

где: r — коэффициент асимметрии цикла переменных напряжений; Kthr — пороговый коэффициент интенсивности напряжений при соответствующей асимметрии цикла:

Используя приведенную формулу по известному Kthr мы легко можем определить ∆Kthr для любого r [1].
При наличии концентратора напряжений справедливо равенство [2]:

β•K_thk= K_th0,

где: K_thk — пороговый коэффициент интенсивности напряжений в зоне концентратора; β — пороговый коэффициент концентрации напряжений, который равен: 

где: 

— интенсивность напряжений в зоне концентрации напряжений;       
— средняя интенсивность напряжений в элементе конструкции.
Так как K_thо определяется по зависимости (2), то для определения K_thk необходимо знать в элементах конструкции, где обнаруживается концентратор.
При известном K_thk по уравнению 6 можно оценить опасный уровень эксплуатационных напряжений для элементов конструкции с концентратором напряжений.
Оценка влияния на остаточный ресурс первого и второго фактора связана с определением параметров напряженно-деформированного состояния в элементах конструкции, а также параметрах локального напряженно-деформированного состояния в области обнаруженных эксплуатационных концентраторов напряжений.
Для определения указанных параметров была разработана программа на базе метода конечных элементов, которая позволяет определить наиболее нагруженный элемент резервуара.
Анализ напряженно-деформиро-ванного состояния корпуса резервуара показал, что нижний пояс резервуара наиболее напряжен и максимальные напряжения возникают в уторном узле. На рис. 1 приведено распределение напряжений в уторном узле с учетом краевого момента от действия гидростатического давления жидкости, избыточного давления в пространстве под кровлей, а также контурного давления от собственного веса для резервуара РВС-2000 м3.
При образовании очаговой коррозии нормальное функционирование резервуара может быть нарушено в результате реализации двух процессов:
а) коррозионная язва прорастает на всю толщину металла, что нарушает герметичность резервуара;
б) по мере роста коррозионного концентратора напряжений в определенный момент, когда  β удовлетворяет уравнению:

в вершине коррозионного дефекта зарождается трещина, дальнейший рост которой приводит к нарушению герметичности резервуара.
В первом случае остаточный ресурс можно оценить, используя условия 1.

Во втором случае остаточный ресурс складывается из стадии роста коррозионной язвы до размеров, при которых в ее вершине  K=K_thk, и стадии развития трещины до нарушения герметичности резервуара.
Для малоуглеродистых конструкционных сталей (из которых изготавливают резервуары) развитие трещины легко оценить, используя закон развития разрушения (закон Париса):

Можно записать:

где: N — количество циклов, необходимое для роста трещины от δкя до δр; δкя — глубина коррозионной язвы, при которой в ее вершине образуется трещина; δр — толщина стенки резервуара; С и n — постоянные, которые определяются по экспериментальной кинетической диаграмме разрушения.
Необходимо отметить, что значения С и n для широкого класса малоуглеродистых сталей практически одинаковы, что существенно облегчает расчет N по формуле (10). Кинетическая диаграмма разрушения малоуглеродистых сталей приведена на рис. 2.
Таким образом, алгоритм оценки остаточного ресурса резервуаров можно представить следующим образом:
1. В результате технической диагностики определяются общие и локальные коррозионные повреждения.
2. Оценивается скорость развития общей коррозии и скорость роста коррозионных язв.
3. Проводят оценку ресурса Ткз от действия первого фактора в наиболее нагруженном элементе конструкции, используя формулу 1.
4. Определяют глубину коррозионных язв, при которой возможно образование макротрещины.
5. Оценивают время роста коррозионной язвы Тяк до критических размеров, при которых зарождается макротрещина.
6. Рассчитывают время роста макротрещины Тр тр до нарушения герметичности, используя формулу 10.
7. Сравнивают Ткз и Тяк+ Тр тр:
если Ткз > Тяк+ Тр тр , то ресурс определяется вторым фактором;
если Ткз < Тяк+ Тр тр, то ресурс определяется первым фактором.
8. Определяют остаточный ресурс с учетом принятого коэффициента запаса по наименьшему значению ресурса, определенному в п. 7.