Corrosion models of a mounded horizontal pressure vessel in a probabilistic approach

• Autorzy: Sondej Mateusz , Sorn Przemysław , Górski Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.155109

Warianty tytułu

PL

Probabilistyczne modele korozji podziemnego poziomego zbiornika ciśnieniowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The computations of fuel tanks are bound to cover uncertainties related to geometric and material imperfections, post-welding stresses, non-uniform settlement, and shell degradation due to corrosion. The paper compares four different methods of tank corrosion descriptions: a uniform reduction of the sheet thickness of the entire shell, degradation described by an angle correlated with its partial fuel filling, corrosion patterns defined by appropriately selected trigonometric functions, and an advanced model using theoretical random fields. All corrosion patterns were numerically investigated to identify their impact on structural response. The computations were carried out for a simplified numerical model of a mounded horizontal pressure vessel. The Point Estimate Method (PEM) was used to estimate the mean value and standard deviation of the shell critical forces. The probabilistic approach allows to assess structural reliability and makes it possible to optimize the structure. It has been shown that the optimal variant of corrosion description, easy for engineering applications, is the uniform reduction of the shell thickness.

PL

Awaria zbiorników ciśnieniowych na paliwa i inne materiały petrochemiczne może doprowadzić do skażenia środowiska, a także zagrażać zdrowiu i życiu ludzi. Wytyczne normowe wymagają aby niezawodność zbiorników w przewidzianym okresie eksploatacji była odpowiednio wysoka. Określa się ją na podstawie ściśle zdefiniowanej miary – wskaźnika niezawodności β. Jednocześnie przyjmuje się, że odpowiedni poziom niezawodności zbiorników uzyska się stosując wskazane w normach algorytmy obliczeniowe. Tylko w przypadku klasy konsekwencji CC3 konstrukcji konieczne jest liczbowe oszacowanie wskaźnika niezawodności β. W normach jednak nie wskazano w jaki sposób takie obliczenia powinny być wykonywane. Wydaje się istotne wypełnienie wyraźnej luki pomiędzy normowymi wytycznymi a powszechnie stosowanymi metodami projektowania. Analiza zbiorników powinna dotyczyć wielu niestandardowych elementów jak np. imperfekcji geometrycznych i materiałowych, nierównomiernego osiadani czy procesów korozyjnych. W pracy wykonano analizę probabilistyczną skorodowanego zakopcowanego poziomego zbiornika ciśnieniowego na paliwa płynne. Rozpatrzono kilka wariantów opisu korozji: jednorodną zmianę grubości blachy powłoki, zmniejszenie grubości fragmentu walca określonego kątem α, wprowadzenie regularnych obszarów korozji opisanych funkcją sinus oraz symulację stref korozji polami losowymi. Celem pracy było sprawdzenie jak poszczególne modele korozji wpływają na zmianę siły krytycznej niszczącej powłokę w wyniku działania podciśnienia. Obliczenia MES wykonano dla fragmentu zbiornika (walca) z warunkami brzegowymi modelującymi żebra usztywniające. Z uwagi na specyfikę obciążenia zbiornika podciśnieniem nie ma potrzeby analizy całej konstrukcji. Zastosowano analizę probabilistyczną. Grubość t powłoki zdefiniowano za pomocą rozkładu Gaussa o średniej równej grubości powłoki pomniejszonej o naddatek korozyjny. Odchylenie standardowe zmiennej t przyjęto w taki sposób aby maksymalna grubość powłoki nie przekraczała jej rzeczywistej grubości. Kąt α opisujący fragmentaryczną korozję walca opisano rozkładem równomiernym.Wpodobny sposób przyjęto liczbę fal w sinusoidalnym opisie uszkodzenia powłoki.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 3
• Strony: 431--445
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Sondej Mateusz

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3574-7089

autor

Sorn Przemysław

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1299-1940

autor

Górski Jarosław

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdansk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6478-0216

Bibliografia

• [1] Directive 2014/68/EU of the European Parliament and of the Council of 15 May 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of pressure equipment.
• [2] EN 1990 Eurocode – Fundamentals of structural design.
• [3] EN 1993-6 Eurocode 3 – Design of steel structures part 4-2. Tanks.
• [4] A. Niloufari, H. Showkati, M. Maali, and S.M. Fatemi, “Experimental investigation on the effect of geometric imperfections on the buckling and post-buckling behavior of steel tanks under hydrostatic pressure”, Thin-Walled Structures, vol. 74, pp. 59-69, 2014, doi: 10.1016/j.tws.2013.09.005.
• [5] K. Rasiulis, A. Šapalas, R. Vadlūga, and M. Samofalov, “Stress/strain state investigations for extreme points of thin wall cylindrical tanks”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 62, no. 12, pp. 1232-1237, 2006, doi: 10.1016/j.jcsr.2006.04.016.
• [6] R. Ignatowicz and E. Hotala, “Failure of cylindrical steel storage tank due to foundation settlements”, Engineering Failure Analysis, vol. 115, pp. 1-8, 2020, doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104628.
• [7] J.I. Colombo, R.A. Herrera, and J.L. Almazán, “Low cycle fatigue capacity of shell-to-base connections in stainless steel thin-walled tanks”, Engineering Structures, vol. 245, 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112949.
• [8] P.K. Malhotra, P. Nimse, and M. Meekins, “Seismic sloshing in a horizontal liquid storage tank”, Structural Engineering International, vol. 24, no. 4, pp. 466-473, 2014, doi: 10.2749/101686614X13854694314928.
• [9] P.G. Cirimello, J.L. Otegui, D. Ramajo, and G. Carfi, “A major leak in a crude oil tank: Predictable and unexpected root causes”, Engineering Failure Analysis, vol. 100, pp. 456-469, 2019, doi: 10.1016/j.engfailanal.2019.02.005.
• [10] W. Geary and J. Hobbs, “Catastrophic failure of a carbon steel storage tank due to internal corrosion”, Case Studies in Engineering Failure Analysis, vol. 1, no. 4, pp. 257-264, 2013, doi: 10.1016/j.csefa.2013.09.002.
• [11] A. Rahbar-Ranji, “Ultimate strength of corroded steel plates with irregular surfaces under in-plane compression”, Ocean Engineering, vol. 54, pp. 261-269, 2012, doi: 10.1016/j.oceaneng.2012.07.030
• [12] E. Gutman, J. Haddad, and R. Bergman, “Stability of thin-walled high-pressure vessels subjected to uniform corrosion”, Thin-Walled Structures, vol. 38, no. 1, pp. 43-52, 2000, doi: 10.1016/S0263-8231(00)00024-0.
• [13] M.M. Hossain and R. Seshadri, “Simplified fitness-for-service assessment of pressure vessels and piping systems containing thermal hot spots and corrosion damage”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 87, no. 7, 2010, doi: 10.1016/j.ijpvp.2010.04.001.
• [14] P. Tantichattanont, S.M.R. Adluri, and R. Seshadri, “Structural integrity evaluation for corrosion in spherical pressure vessels”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 84, no. 12, pp. 749-761, 2007, doi: 10.1016/j.ijpvp.2006.12.004.
• [15] M. Cerit, “Corrosion pit-induced stress concentration in spherical pressure vessel”, Thin-Walled Structures, vol. 136, pp. 106-112, 2019, doi: 10.1016/j.tws.2018.12.014.
• [16] Y. Pronina, O. Sedova, M. Grekov, and T. Sergeeva, “On corrosion of a thin-walled spherical vessel under pressure”, International Journal of Engineering Science, vol. 130, pp. 115-128, 2018, doi: 10.1016/j.ijengsci.2018.05.004.
• [17] O. Sedova and Y. Pronina, “The thermoelasticity problem for pressure vessels with protective coatings, operating under conditions of mechanochemical corrosion”, International Journal of Engineering Science, vol. 170, 2022, doi: 10.1016/j.ijengsci.2021.103589.
• [18] Y. Choi, J. Ahn, and D. Chang, “Time-dependent reliability analysis of plate-stiffened. Prismatic pressure vessel with corrosion”, Mathematics, vol. 9, no. 13, art. no. 1544, 2021, doi: 10.3390/math9131544.
• [19] N. Habibi, S. Mohammadi, and H. Ghafary, “Reliability of steel cylindrical pressure vessel dividers in the presence of corrosion. experiment and simulation”, International Journal of Steel Structures, vol. 23, no. 2, pp. 599-612, 2023, doi: 10.1007/s13296-023-00715-5.
• [20] N. Kasai, T. Maeda, K. Tamura, S. Kitsukawa, and K. Sekine, “Application of risk curve for statistical analysis of backside corrosion in the bottom floors of oil storage tanks”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol. 141, pp. 19-25, 2016, doi: 10.1016/j.ijpvp.2016.03.014.
• [21] K. Woloszyk and Y. Garbatov, “Advanced numerical modelling for predicting residual compressive strength of corroded stiffened plates”, Thin-Walled Structures, vol. 183, 2023, doi: 10.1016/j.tws.2022.110380.
• [22] M. Maslak and M. Pazdanowski, “Time-to-failure forecast for corroded shell of above-ground steel tank used to store liquid fuels”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 1, pp. 303-322, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.136475.
• [23] M. Kamiński and P. Świta, “Structural stability and reliability of the underground steel tanks with the Stochastic Finite Element Method”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 15, pp. 593-602, 2015, doi: 10.1016/j.acme.2014.04.010.
• [24] K. Kubicka and U. Radon, “The system reliability of steel trusses with correlated variables”, Archives of Civil Engineering, vol. 70, no. 2, pp. 163-178, 2024, doi: 10.24425/ace.2024.149857.
• [25] P. Zabojszcza, U. Radon, and P. Tauzowski, “Robust and reliability-based design optimization of steel beams” Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 4, pp. 125-140, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.147651.
• [26] E. Rosenblueth, “Point estimates for probability moments”, Proceedings of the National Academy of Sciences of U.S.A., vol. 72, no. 10, 1975, doi: 10.1073/pnas.72.10.3812.
• [27] R.E. Melchers and A.T. Beck, Structural reliability analysis and prediction. John Wiley & Sons Ltd., 2018, doi: 10.1002/9781119266105.
• [28] P.H. Waartsa and A.C.W.M. Vrouwenveldera, “Stochastic finite element analysis of steel structures”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 52, pp. 21-32, 1999.
• [29] P. Sorn, M. Sondej, and J. Górski, “Reliability estimation of underground fuel tank”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, vol. 71, no. 2, 2023, doi: 10.24425/bpasts.2023.144588.
• [30] M. Smith, ABAQUS/Standard User’s Manual, Version 6.9. Providence, RI: Dassault Systèmes Simulia Corp, 2009.
• [31] E. Korol, “SFEM Analysis of Beams with Scaled Lengths including Spatially Varying and Cross- Correlated Concrete Properties”, Materials, vol. 15, no. 1, 2022, doi: 10.3390/ma15010095.
• [32] H. Walukiewicz, E. Bielewicz, and J. Górski, “Simulation of nonhomogeneous random fields for structural applications”, Computers and Structures, vol. 64, no. 1-4, pp. 491-498, 1997.
• [33] E. Bielewicz and J. Górski, “Shells with random geometric imperfections simulation - Based approach”, International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 37, no. 4–5, pp. 777-784, 2002, doi: 10.1016/S0020-7462(01)00098-1.
• [34] J. Górski, T. Mikulski, M. Oziębło, and K. Winkelmann, “Effect of geometric imperfections on aluminium silo capacities”, Stahlbau, vol. 84, 2015, doi: 10.1002/stab.201510224.
• [35] K.Winkelmann and J. Górski, “The use of Response Surface Methodology for reliability estimation of composite engineering structures”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 52, no. 4, pp. 1019-1032, 2014.