МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОДЛЕНИЮ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА И ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

 

Диньмухаметова Л.С., Пояркова Е.В.

(ОГТИ (филиал) ГОУ ОГУ, г. Орск, РФ)

 

The problem of prolongation of life cycle of the oil and gas equipment in aspect of safety of its operation as dangerous industrial object is considered. The technique of the decision of the given problem as set of problems of maintenance, increase, preliminary treatment of working capacity of the equipment and the analysis of characteristics of its safety is resulted.

 

Проблема продления жизненного цикла нефтегазового оборудования   имеет два аспекта: с одной стороны, она связана с повышением эффективности их использования, т.е. с интенсификацией рабочих процессов и продлением времени их эксплуатации; а с другой – с необходимостью обеспечения безопасности, т.к. данное оборудование относится к опасным производственным объектам, аварийные отказы которых  наносят большой экономический и экологический вред и зачастую приводят к людским жертвам. Таким образом, применительно к оборудованию для переработки и транспортировки нефти продление жизненного цикла означает продление периода его безопасной эксплуатации, которая характеризуется определенными величинами запаса прочности, ресурса, надежности, живучести и риска.

К настоящему времени созданы основы обеспечения безопасной эксплуатации оборудования нефтяной, газовой и нефтегазохимической отраслей. Структура методического подхода к продлению срока безопасной эксплуатации нефтеперерабатывающего оборудования представляется в виде совокупности задач [1-3]:

1.  Оптимизация конструктивного исполнения с точки зрения безопасности оборудования на стадии его проектирования;

2.  Повышение эксплуатационных характеристик оборудования на стадии его производства;

3.  Оптимизация параметров рабочего процесса;

4.  Своевременная диагностика и контроль текущего технического состояния оборудования;

5.  Оценка эксплуатационной прочности по данным диагностики и текущего контроля;

6.  Прогнозирование ресурса безопасной эксплуатации оборудования;

7.  Оценка надежности оборудования и разработка мероприятий, направленных непосредственно на продление его жизненного цикла;

8.  Оценка живучести оборудования;

9.  Оценка риска и безопасности дальнейшей эксплуатации.

Представленный методический подход к продлению жизненного цикла нефтеперерабатывающего оборудования направлен на повышение срока сохранения его работоспособного состояния и заблаговременное предупреждение случаев предельного состояния и отказов. Как показывают выполненные ранее исследования, решение задачи продления жизненного цикла нефтеперерабатывающего оборудования должно рассматриваться с позиции реакции его на эксплуатационные и другие внешние воздействия, а также с позиций процессов и механизмов накопления повреждений и возникновения предельного состояния [1-3].

Элементы оборудования переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов работают в условиях воздействия агрессивных сред, давлений, температур, силовых, динамических и климатических воздействий. Они характеризуются сложностью геометрической формы, разнообразием конструктивного исполнения, а также наличием большого количества сварных соединений, являющихся конструктивными концентраторами напряжений, на эксплуатационные и ресурсные характеристики которых необходимо обращать пристальное внимание при комплексной оценке безопасности оборудования. Снижение прочностных характеристик сварных швов и ЗТВ вызывается высокотемпературным локальным воздействием при сварке, приводящим к возникновению нежелательных крупнозернистых структур, деформационного охрупчивания, остаточных напряжений и неравномерной прочности металла по зонам сварного соединения, а в случае применения сварных соединений разнородных материалов еще и высокой электрохимической гетерогенностью. Подобного рода дефекты особенно сказываются на эксплуатационной надежности сварных соединений, работающих в условиях воздействия агрессивных сред и циклических нагрузок.

Оптимизация конструктивного исполнения сварных конструкций оборудования предполагает комплекс мер, направленных на повышение технологичности изготовления последних.

Повышение эксплуатационных характеристик сварных элементов на стадии его производства достигается контролем качества сварных соединений, совершенствованием способов сварки, применением  различного вида термообработки, нанесением покрытий со специальными свойствами и др. Применение того или иного способа диктуется применяемым материалом сварного элемента и условиями эксплуатации.

Оптимизация параметров рабочего процесса может быть достигнута компенсацией колебаний давления в технологической системе, снижением коррозионной активности и улучшением качества фильтрации рабочих сред, снижением скоростей рабочих потоков, контролем и оптимизацией теплового режима и т.п.

Своевременная диагностика подразумевает определение параметров технического состояния и повреждений: реальной геометрии, системы нагрузок и воздействий изменение физических, химических и механических свойств металла; трещины, вздутия, утонения, язвы, дефекты сварки, расслоения и т.п., которые можно определить при анализе технической документации, контроле экспериментальными методами дефектоскопии, проведении виброметрии, тензо- и термометрирования, и др. Основными характеристиками, выявляемыми при диагностике, являются максимальное отклонение контролируемого параметра hmax и вероятность обнаружения (не обнаружения) отклонений контролируемых параметров Vo [1]:

                                         Vo = [1 – V(h › hmax)] Fk/F.                                      (1)

где V(h› hmax) - вероятность нахождения контролируемой величины за пределами доверительного интервала,

F, Fk, - соответственно общая площадь поверхности металла и площадь контролируемой его поверхности.

С учетом всех перечисленных величин строится модель текущего состояния исследуемого объекта.

Однако выявленных экспериментальным путем характеристик зачастую оказывается недостаточно для анализа нагруженности отдельных элементов конструкции и определения напряжений в них из-за трудности их выявления и неопределенности положения, поэтому решение задачи оценки технического состояния оборудования осуществляется на основе комплексных исследований несущей способности с применением экспериментальных методов контроля параметров состояния, режима нагрузки, физико-механических свойств металла и расчетных методов анализа напряженно-деформированного состояния (НДС).

Установленные по результатам диагностики параметры технического состояния используются для дальнейшей оценки прочности. Прочность определяет свойство элементов оборудования сопротивляться деформированию и разрушению под действием эксплуатационных нагрузок и внешних воздействий. Условие прочности имеет вид [1]: 

Qmax≤ [Ф]n,                                                                                      (2)

где Qmax =  – максимальное значение обобщенной характеристики нагрузки;

[Ф]n =  - обобщенная характеристика несущей способности (критерий предельного состояния);

 – параметры текущего нагружения;

 - параметры технического состояния по результатам диагностики.

Обобщенная нагрузка представляет собой комплекс внутренних силовых факторов, возникающих в металле от действия эксплуатационных нагрузок, при определенном уровне технического состояния. Оценка прочности осуществляется путем проведения нормативных проверочных расчетов на статическую, динамическую, усталостную прочность; сопротивление хрупкому разрушению, устойчивость, определение предельно допустимых толщин стенок; уточненные расчеты НДС с учетом реальной геометрии, уровня накопленной поврежденности и текущих параметров системы нагрузок; расчеты предельных значений нагрузок. С этой целью применяются расчеты НДС методом конечных элементов с применением программных средств ANSYS, MATHCAD и др.

Ресурс определяется как суммарная наработка от начала или возобновления эксплуатации до перехода в предельное состояние, грозящее аварийным отказом. В общем случае количественное определение ресурса производится по формуле [1]:

                                                                       (3)

где Q) – изменение нагрузки за время эксплуатации.

Величина прогнозируемого ресурса определяется с учетом характеристики нагружения, имеющей определяющее значение в процессе разрушения элементов оборудования. Так, в случае максимальной поврежденности от коррозионного воздействия, при прогнозировании ресурса необходимо  установить фактические значения величины коррозионного износа и характер механического поведения конструкции с учетом коррозионного повреждения (коррозионного изнашивания или растрескивания) и определить предельно допустимое значение толщины стенок элемента конструкции. Для оборудования, функционирующего в условиях циклических нагрузок, необходимо установить параметры циклического нагружения и прогнозирование ресурса вести по критериям вязкого и хрупкого разрушения.

На всех стадиях эксплуатации оборудование как источник потенциальной опасности должно обладать достаточным уровнем живучести – способностью противостоять развитию критических и катастрофических разрушений из-за повреждений, сохраняя ограниченную работоспособность при определенном их уровне в течение ограниченного промежутка времени. Наиболее распространенными повреждениями сварных конструкций являются несплошности (непровары, поры, трещины) и смещенные стыки сварных швов, которые могут быть получены в процессе образования сварного соединения, а также возникшие в процессе эксплуатации оборудования в следствие коррозионного разрушения, статических, динамических или циклических воздействий.

Оценка живучести оборудования производится по критериям прочности и сопротивления хрупкому разрушению и сводится к определению максимальных допускаемых размеров повреждений, ресурса и периодичности контроля [1]:

               (4)

где  - максимальный возможный размер повреждения;

[L] – допускаемый размер повреждения;

 – критический размер повреждений;

 требуемая периодичность контроля;

 исходный размер повреждения;

 – скорость развития повреждения по времени t или числу циклов N.

Для определения живучести сварных конструкций необходимо с максимальной достоверностью выявлять все поверхностные и скрытые дефекты конструкции, экспериментальными и численными методами устанавливать критический их размер, приводящий при текущем режиме нагружения к возникновению предельного состояния оборудования.

Реализация описанного методического подхода проведена на примере анализа живучести вертикального цилиндрического резервуара для хранения продуктов переработки нефти емкостью 5000 м3 с толщиной стенки 10 мм (радиус основания 11,4 м; высота 12 м; максимальная высота налива нефтепродукта – 10,4 м). Максимальная частота разгрузки – 160 раз в год. При расчетах живучести определили максимальные допускаемые и критические размеры трещиноподобных дефектов, а также ресурс, по критериям статической и усталостной прочности и сопротивления хрупкому разрушению в соответствии с ГОСТ Р 52910-2008, РД 153-112-017-97, ПНАЭ Г-7-002-86 c помощью программы Microsoft Office Ecxel.

Предварительно проведением конечно-элементного анализа определили, что наибольшие значения эксплуатационных напряжений в обечайке резервуара имеют место в зоне сопряжения стенки с днищем и составляют  около 160 МПа. Принимая во внимание неравномерность распределения напряжений в различных участках резервуара, произвели расчеты допускаемой и критической глубины трещиноподобных дефектов в зависимости от срока эксплуатации.

При расчете допускаемых и критических размеров дефектов по условиям статической прочности в качестве предельного состояния принимали наступление текучести в нетто-сечении конструктивного элемента, ослабленном трещиной, пользуясь выражением:

 

                                    (5)

где   - коэффициент условий работы резервуара;

 - расчетное сопротивление материала.

Условие хрупкой прочности принимали в соответствии с ПНАЭ Г-7-002-86:

 

(6)

где - максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений, действующих в элементе конструкции;

η – коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений;

σр – составляющая напряжений растяжения, МПа;

Мр = 1 + 0,12 (1 – а / с);

Мq = 1 – 0,64 а / h;

а – глубина трещины, мм;

с – полудлина трещины, мм;

h – длина зоны, в пределах которой составляющая изгибных напряжений сохраняет положительное значение, мм;

Q – параметр, учитывающий геометрию дефекта:

 

 – статическая трещиностойкость материала.

Распределение напряжений растяжения (кольцевых) по толщине стенки ввиду ее малости по сравнению с диаметром резервуара принимали равномерным.

Расчет изгибных напряжений выполняли в соответствии с РД 153-112-017-97:

,                                      (7)

где  - коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса, =1,05;

 - вес покрытия резервуара, МН;

 - вес вышележащих поясов стенки, МН;

 - нормативное значение снеговой нагрузки на покрытие, МН;

 - коэффициент надежности по снеговой нагрузке;

 - нормативная нагрузка от вакуума на покрытие.

При расчетах допускаемых и критических размеров дефектов из условий циклической прочности пользовались выражением:

 

(8)

где  – коэффициент геометрии трещины для полуэллиптической трещины, направленной перпендикулярно действующей нагрузке в толщину материала;

 – пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений;

 – среднее амплитудное значение напряжения.

В качестве исходных данных при расчетах использовали результаты коррозионных испытаний: среднюю скорость коррозии для различных зон сварных соединений, значения механических свойств контрольных образцов после 3, 15 и 25 лет эксплуатации. При учете геометрии трещиноподобные дефекты идентифицировали в форме эллипсоидов с отношением полуосей 0,7; по данным технической диагностики и моделирования НДС наиболее распространенных и опасных с точки зрения локализации напряжений.

Результаты расчетов представлены на рисунке 1. Из анализа полученных данных видно, что критерий наступления предельного состояния элемента конструкции с дефектом определяется в зависимости от места нахождения дефекта и срока эксплуатации. При этом четко прослеживается, что металл околошовной зоны наиболее чувствителен к дефектам, и следовательно размеры их здесь минимальны: после 10 лет эксплуатации допускаемая глубина дефекта в ОШЗ примерно в два раза ниже, чем в основном металле. Наступление предельного состояния резервуара, отработавшего не более 17 лет, с трещиноподобным дефектом в околошовной зоне сварного элемента реализуется в момент достижения действующими в ослабленном сечении напряжениями значений расчетного сопротивления, эквивалентного пределу текучести. Также  отмечается, что на начальном этапе эксплуатации конструкции значения допускаемых и критических размеров повреждений по мере наработки снижаются более интенсивно, что связано со значительной деградацией структуры и свойств материала в течение первых трех лет. Для резервуаров, отработавших более пяти лет, зависимость максимальной глубины дефекта от срока эксплуатации близка к линейной. При превышении срока эксплуатации более 17 лет расчеты критических и допускаемых размеров повреждений следует производить с учетом подрастания трещин усталости. Эксплуатация резервуара после наработки 27 лет сопряжена с высоким риском его нестабильного разрушения.

а)

б)

Рисунок 1 - Кривые живучести обечайки резервуара 5000 м3 с керосином:

а) допускаемая глубина дефекта; б) критическая глубина дефекта;  

сплошными линиями показаны результаты  расчета на статическую  прочность;   штриховыми - расчета на сопротивление хрупкому разрушению; пунктирными линиями отмечены размеры дефектов, пунктирными – на сопротивление усталости;

сплошными тонкими линиями обозначен прогноз изменения предельных размеров дефектов;

● – основной металл; ■ – ОШЗ; ▲ – металл шва

 

Проведенный анализ результатов диагностирования резервуаров РВС-5000, эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих предприятиях, показывает, что в течение первых 17 лет эксплуатации трещиноподобные несплошности не изменяют своих размеров, что подтверждает полученные аналитическим путем данные. На основании проведенных расчетов можно сформулировать рекомендации для оценки технического состояния исследуемого вида оборудования.

 

Список использованных источников

1. Махутов Н.А., Митрофанов Н.В., Барышов С.Н. Оценка сопротивления разрушению и продление ресурса безопасной эксплуатации оборудования, эксплуатируемого в Н2S-содержащих средах.//Материалы V международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций». – т. 2., 12-14 марта 2008г. – Оренбург, Россия / Науч. Ред. С.Н. Летута, Г.В. Клевцов: ИПК ГОУ ОГУ, 2008, с. 5-21.

2.    Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2ч. – Новосибирск: Наука, 2005. Ч.1: Критерии  прочности и ресурса. – 493с.

3.  Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2ч. – Новосибирск: Наука, 2005. -Ч.2: Обоснование ресурса и безопасности. – 610с.