33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уфимский государственный нефтяной технический университет

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Управление ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов

Специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)»;

25.00.19 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Макаренко Олег Анатольевич

Уфа-2010

Работа выполнена на кафедре «Технология нефтяного аппаратостроения» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный консультант доктор технических наук, профессор Ибрагимов Ильдус Гамирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Байков Игорь Равильевич

доктор технических наук, доцент Новоселов Владимир Викторович

доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Иванович

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов», г. Уфа

Защита состоится 2010 года на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ).

Автореферат разослан « » 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А. В. Лягов.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов являются чрезвычайно опасными объектами с точки зрения пожаро- и взрывоопасности, экологической опасности. Обеспечение безопасности резервуаров в значительной степени связано с корректным учетом многофакторного воздействия рабочей и окружающей среды, технологических и конструктивных параметров.

Анализу причин аварий резервуаров посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей. Сведения о причинах возникновения и последствиях аварий немногочисленны, поскольку до недавнего времени материалы, касающиеся аварий резервуаров, относились к закрытой информации. Кроме того, фирмы-владельцы разрушенных резервуаров, как у нас в стране, так и за рубежом, не заинтересованы в распространении достоверной информации об истинных причинах разрушения резервуаров, о масштабах причиненного ущерба и экологических последствиях аварий.

В диссертации дана информация об аварийных разрушениях стальных вертикальных резервуаров с 1950 по 1983 гг. на объектах нефтяной отрасли с тяжелыми последствиями, в т. ч. с гибелью людей.

Как правило, к аварийным ситуациям приводит комплекс причин. Однако в любом случае устойчивость резервуаров к разного рода воздействиям напрямую связана с толщиной составляющих элементов металлоконструкций и ее уменьшением на всей поверхности или на отдельных локальных участках.

В нефтехозяйстве Российской Федерации насчитывается более 50 000 стальных вертикальных резервуаров различного назначения и габаритов, в т. ч. суммарная вместимость резервуарных парков около 2000 нефтебаз и их филиалов компании «Транснефтепродукт» составляет более 30 млн м³, нефтеперекачивающих станций компании «Транснефть» -- более 15 млн м³, системы нефтедобывающей промышленности -- более 26 млн м³, нефтеперерабатывающих компаний -- около 18 млн м³.

Одним из путей решения проблемы повышения ресурсов безопасной эксплуатации резервуаров являются разработка и использование новых эффективных научно обоснованных методов оценки влияния технологических и конструктивных факторов на скорость утонения стенок резервуаров.

Стальные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов работают в специфических коррозионных условиях, что обусловливает необходимость противокоррозионной защиты. Около 90 % всех аварий и отказов резервуаров происходит по причине коррозии. Поэтому эффективность противокоррозионной защиты и величина припуска на коррозию стенки, назначаемого при проектировании резервуаров, в значительной степени определяют уровень надежности резервуара.

Решению проблем, связанных с коррозией и ресурсом резервуаров, посвящены труды многих ученых -- В. Б. Галеева, А. А. Гоника, A. Г. Гумерова, М. В. Лыкова, В. Ф. Новоселова, Е. Н. Сафонова, М. К. Сафаряна, П. И. Тугунова, И. Г. Ибрагимова, А. А. Калимуллина, А. А. Коршака, B. Ф. Котова, В. В. Кравцова, М. В. Кузнецова, И. Милайна, Е. Н. Тэнди и др.

Увеличение ресурса безопасной эксплуатации резервуаров достижимо сохранением толщины стенки не ниже расчетных значений, которое ведется в основном по двум направлениям:

выполнение антикоррозийной защиты лакокрасочными покрытиями;

прибавление к толщине стенки припусков на коррозию, с целью обеспечения заданного срока службы резервуаров без потери конструкциями несущей способности и функциональных свойств.

При проектировании резервуаров всегда возникает вопрос о величине припуска на коррозию и защитной способности лакокрасочного покрытия. Весьма актуален также вопрос о повышении защитных свойств лакокрасочных материалов (ЛКМ) отечественного производства путем разработки новых рецептур ЛКМ или модифицирования серийно выпускаемых материалов.

Применение защитного покрытия имеет неопределенность при оценке его влияния на износ стенки резервуара, поскольку само понятие "защитная способность" покрытия не вполне определено. Такая характеристика, как "срок службы" покрытия, не может характеризовать в полной мере его защитную способность, так как коррозия металла под покрытием начинается задолго до начала разрушения покрытия. В настоящее время сроки замены покрытий на внутренней поверхности резервуара не имеют научного обоснования и часто не обеспечивают заданный ресурс безопасной эксплуатации резервуара. Назначение типа покрытия и периодичности его обновления с условием обеспечения минимальной величины припуска на коррозию стенки металла является актуальнейшей проблемой современного резервуаростроения.

Мировой опыт эксплуатации резервуарных парков неоднократно показал, что недоучет многофакторного влияния на ресурс металлоконструкций приводит к крупным катастрофам. Решение задачи превентивного и текущего управления применительно к резервуарам нефтегазовой отрасли и обеспечение промышленной безопасности резервуарных парков, предприятий и населенных пунктов, расположенных в районе нефте- и нефтепродуктохранилищ -- это проблема не узкого ведомственного значения, а задача государственной важности.

В развитие современных методов диагностирования стальных резервуаров внесли существенный вклад Л. А. Бабин, В. А. Буренин, Р. М. Галимов, Р. А. Жданов, М. Г. Каравайченко, Н. М. Фатхиев, Л. Н. Шаров и др. Практически все методы диагностирования базируются на выявлении различных дефектов и отклонений и расчете времени до наступления критического состояния по формулам малоцикловой усталости. Эти методы позволяют дать оценку состояния индивидуального резервуара и в подавляющем большинстве случаев их применение оправдано. При этом учет коррозии металла под защитным покрытием проводится весьма ориентировочно путем введения в расчетную формулу так называемого коэффициента коррозии, который назначается без достаточного обоснования. Следует отметить, что упомянутые методы не приемлемы для превентивной оценки ресурса резервуара на стадии его проектирования.

Цель работы

Целью диссертационного исследования явилась разработка на основе экспериментальных и производственных данных методологии превентивного и текущего управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров с учетом конструктивных и технологических факторов и свойств защитного покрытия внутренней поверхности.

Принципы превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров могут быть сгруппированы следующим образом:

увеличение припуска на коррозию;

применение защитного покрытия внутренней поверхности;

уменьшение припуска на коррозию в сочетании с применением защитного покрытия.

Текущее управление заключается в проведении мероприятий по снижению скорости коррозии металла за счет повышения защитной способности покрытий и их возобновления в сроки, обеспечивающие заданный ресурс безопасной эксплуатации резервуара.

Для достижения поставленной цели диссертационного исследования решались следующие задачи:

1 Разработка математической модели определения скорости утонения стенки РВС с учетом влияния конструктивных и технологических факторов для осуществления превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации резервуаров, не имеющих защитного покрытия внутренней поверхности.

2 Разработка математической модели оценки защитных свойств лакокрасочных покрытий внутренней поверхности стальных вертикальных резервуаров и методологии превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров с защитным покрытием на внутренней поверхности.

3 Установление взаимосвязи между ресурсом безопасной эксплуатации резервуара, припуском на коррозию стенки и типом ЛКП с учетом их старения и сроками обновления в процессе эксплуатации.

4 Изучение возможности увеличения ресурса безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров на основе повышения защитных свойств ЛКП путем модифицирования связующего, диспергирования и модифицирования наполнителей в составе ЛКМ.

5 Модифицирование состава резиновой смеси для уплотнительных элементов плавающих крыш и понтонов, с целью снижения их износа при трении о стенки резервуаров.

6 Повышение ресурса безопасной эксплуатации РВС П и РВС ПК применением эрозионностойкого лакокрасочного покрытия внутренней поверхности. С этой целью разработать состав, предназначенный для снижения износа элементов пары трения «резина-лакокрасочное покрытие (ЛКП) на внутренней поверхности стенки».

Научная новизна

1 Сформулирована и аналитически решена новая задача, заключающаяся в разработке методологии превентивного и текущего управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров для нефтепродуктов, учитывающей величину припуска на коррозию, тип защитного лакокрасочного покрытия на внутренней поверхности резервуара и обоснованные сроки его обновления.

2 Разработана и обоснована новая математическая модель оценки скорости утонения стенки резервуара без защитного покрытия на внутренней поверхности, с учетом объема резервуара V, коэффициента оборачиваемости n_о, среднегодовой температуры стенки t_ср, высоты от основания h, типа крыши -- стационарная (СК), плавающая (ПК) и стационарная в сочетании с понтоном (ПП) -- в диапазоне значений перечисленных параметров, характерных для условий эксплуатации резервуаров нефтегазовой отрасли Российской Федерации: V = 2000-50000 м³, n_о = 2-110 1/год, t_ср = минус 2-17.

3 Разработана и обоснована новая математическая модель оценки скорости утонения стенки резервуара под лакокрасочным покрытием (ЛКП) внутренней поверхности для различных ЛКП. На основе предложенной модели установлено влияние типа ЛКП на периодичность его обновления для обеспечения заданного при проектировании ресурса безопасной эксплуатации резервуара.

4 Впервые предложен и обоснован новый критерий: коэффициент защиты (К_защ) лакокрасочного покрытия, зависящий от типа лакокрасочного покрытия и продолжительности его эксплуатации с момента нанесения, определяемый равенством К_защ = 1 - П_з / П₀, в котором П_з и П₀ -- среднегодовые скорости утонения соответственно с покрытием и без покрытия стенки резервуара. Использование критерия К_защ позволяет вычислить среднегодовую скорость коррозии стенки резервуаров всех типов и условий эксплуатации с использованием разработанных математических моделей.

Практическая ценность

Внедрение расчетных моделей утонения стенки резервуаров, программы (для ЭВМ) оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров и рекомендаций по применению новых модифицированных лакокрасочных материалов для окраски внутренней поверхности стальных резервуаров в ГУП «Башгипронефтехим» обеспечило превентивное управление длительной безопасной эксплуатацией резервуаров на стадии их проектирования.

Разработанные в диссертации математические модели и программы для ЭВМ используются на ОАО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод» при оценке остаточного ресурса резервуаров.

Применение расчетного метода оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров на ОАО «Уфанефтехим» дало возможность установить средние скорости коррозии резервуаров различных типов и назначения.

Внедрение программы (для ЭВМ) оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров, рекомендаций по применению модифицированных материалов для окраски внутренней поверхности стальных резервуаров на ООО «Луховицкая нефтебаза» позволило получить экономический эффект 3 млн. рублей в ценах 2008 года.

Использование рекомендаций по защите от внутренней коррозии стальных резервуаров товарного парка на ОАО «Южуралнефтегаз» модифицированными ЛКМ позволило получить экономический эффект 4,94 млн. руб./год;

Применение новых систем модифицированных лакокрасочных покрытий внутренней поверхности стальных резервуаров на ОАО «Волгасинтез» обеспечило повышение продолжительности межремонтного цикла, сроков безопасной эксплуатации резервуаров и получение экономического эффекта 3,22 млн. руб./год.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях «Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе» (г. Салават, Салаватнефтемаш, 2006), «Проблемы и перспективы развития АО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод» (Уфа, 1995), «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-99)» (Уфа: УГНТУ, 1999), «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий» (Уфа, 1996), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа: УГНТУ, 1996-2004 гг.), Международных научно-практических конференциях «Промышленная безопасность на пожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008), «Диагностика оборудования и трубопроводов», Международной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -- творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009), Первой Всероссийской конференции молодых ученых (Уфа, 2009).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Объем диссертации 342 с. машинописного текста; приводятся 76 таблиц, 51 иллюстрация и 7 приложений. Список литературы содержит 264 наименования.

Содержание работы

Во введении приведена общая характеристика диссертации, сформулированы цель и задачи исследований.

В связи с развитием нефтяной отрасли в целом, наблюдается интенсивное развитие отечественного резервуаростроения. Наряду с этим продолжает иметь место отставание нормативно-технической базы от потребности отрасли, что создает определенные трудности как при проектировании, так и при эксплуатации резервуаров.

Наружные поверхности испытывают слабоагрессивную степень воздействия. Защита от коррозии наружных поверхностей осуществляется аналогично антикоррозийной защите общестроительных конструкций путем применения атмосферостойких покрытий. В целом утонение окрашенных стенок резервуаров за счет атмосферной коррозии весьма незначительно (около 0,001 мм/год) и практически не принимается во внимание при проектировании резервуаров.

Внутренние поверхности резервуара, контактирующие с хранимым продуктом и его парами, а также подтоварной водой, подвержены более значительному воздействию среднеагрессивной или сильноагрессивной среды. Коррозия внутренних поверхностей является доминирующим фактором, влияющим на ресурс безопасной эксплуатации резервуара.

В соответствии с ГОСТ Р52910-2008 величина припуска на коррозию определяется заказчиком при выдаче исходных данных на проектирование резервуаров. Данное обстоятельство не имеет строго аргументированного научного обоснования.

Одной из главных задач исследования явилось установление взаимосвязи между собой таких параметров, как ресурс безопасной эксплуатации, величина припуска на коррозию стенки, тип защитного покрытия, срок замены (восстановления) защитного покрытия.

В качестве объекта исследования принят важнейший элемент конструкции -- стенка. Стенка резервуара воспринимает на себя гидростатические и гидродинамические нагрузки изнутри резервуара, ветровые, снеговые, сейсмические и другие -- с наружной стороны, коррозионное действие рабочей и окружающей среды. Постепенное уменьшение толщины стенки до критической (расчетной) приводит к опасности потери устойчивости при неблагоприятном стечении факторов и к разрушению резервуара.

Следует отметить влияние типа крыши (стационарная, плавающая или стационарная в сочетании с понтоном) на скорость утонения стенки. Используемые защитные покрытия работают не только как барьеры, препятствующие контакту коррозионной среды с металлической поверхностью, но в паре трения с уплотнениями плавающих крыш или понтонов подвержены истирающему воздействию. Уменьшение толщины покрытия или его повреждения при таком воздействии также может влиять на защитные свойства покрытия, однако степень влияния эрозионного фактора на износ лакокрасочного покрытия внутренней поверхности резервуара не изучена и не учитывается при назначении покрытий.

В первой главе дается аналитический обзор источников, освещающих современное техническое состояние стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов, в т. ч. с плавающими крышами (понтонами), а также проблем, связанных с повышением защитных свойств ЛКП, и методов диагностики стальных резервуаров.

Резервуары эксплуатируют в весьма жестких условиях при температуре от -50 до +50 ^оС. Внутренняя поверхность резервуаров подвергается воздействию нефти или нефтепродуктов, воды и воздуха. Нанесение защитных лакокрасочных покрытий на внутренние поверхности резервуаров является универсальным и наиболее распространенным способом защиты их от коррозии и, соответственно, снижения скорости утонения стенок.

Для защиты от коррозии внутренней поверхности резервуаров могут быть использованы только определенные виды покрытий, которые согласно существующей классификации относятся к группе бензостойких. Использование той или иной марки лакокрасочного материала для нанесения покрытия в каждом конкретном случае решается с учетом условий эксплуатации, физико-механических, химических и технологических свойств покрытий, экономической целесообразности и т. д.

При окраске резервуаров применяют бензостойкие лакокрасочные материалы холодного отверждения, способные отвердевать при температуре не ниже 12-15 ^оС. Широкое распространение нашли следующие системы ЛКП на основе материалов как отечественного производства, так и закупаемые по импорту. Прошли многолетнюю апробацию ЛКМ на эпоксидной (краска ЭП-755, эмаль ЭП-56, эмаль ЭП-140, шпатлевка ЭП-00-10, эмаль ЭП-1155, эмаль ЭП-5116, композиции на основе шпатлевки ЭП-00-10 и смолы ФАЭД, на основе эпоксидных смол ЭД-20, ЭД-16), поливиниацетальной (эмаль ВЛ-515), сополимерно-винилхлоридной (краска ХС-720, краска ХС-717, эмаль ХС-710, эмаль ХС-5132), поливинилхлоридной (лак ХВ-77), полиуретановой (лак 976-1), дивинилацетиленовой (эмаль ВН-780), кремнийорганической (краска КО-42), фенольной (эмали ФЛ-62, ФЛ-777) и др.

Начиная с конца 1980-х-начала 1990-х гг. в нефтяной промышленности появляются целые серии новых материалов для окраски внутренней поверхности резервуаров.

Научно-производственным предприятием «Высокодисперсные металлические порошки» предлагается для защиты внутренней поверхности резервуаров для хранения светлых нефтепродуктов покрытие ЦВЭС № 1 на этилсиликатной основе. Материалами ВМП защищены ряд резервуаров компаний Роснефть, Газпромнефть, ЛУКОЙЛ, ТНК-ВР, Транснефть, Транснефтепродукт, Хабаровского, Краснодарского. Туапсинского, Ухтинского, Нижегородского, Московского и других нефтеперерабатывающих заводов.

Защитная отечественная нефтебиостойкая система покрытий БЭП-651 (ТАНЭП-651), выпускаемая ООО «Краски БЭП» (г. Санкт-Петербург), представляет собой модификацию безрастворительного эпоксидного покрытия и рекомендуется для нанесения на внутреннюю поверхность средств хранения и транспортирования нефтепродуктов. Антикоррозионная защита этими материалами внутренней поверхности резервуаров выполнена в топливо-заправочных организациях аэропортов Москвы (Домодедово, Шереметьево), Новосибирска (Толмачево), Самары (Курумоч), Мурманска, Томска, нефтеперерабатывающих заводов ООО «Кинеф», Бухарского НПЗ.

Среди применяемых лакокрасочных материалов большое место занимают материалы «Эпобен», представляющие собой систему из грунтовки и эмали, а также модифицированные эпоксидные материалы, основой которых являются эпоксидно-каменноугольные, эпоксидно-новолачные и другие связующие материалы.

Близким по качеству аналогом импортному полиуретановому защитному покрытию «Steel paint» является отечественное покрытие ВГ-33. Данное покрытие производится на предприятиях Алтайхимпрома.

Для окраски внутренних поверхностей резервуаров хранения светлых нефтепродуктов и высокооктановых бензинов компанией «Tikkurila» поставляются материалы марки «Temaline». Это двухкомпонентные эпоксидные материалы. Антикоррозионная защита этими материалами технологической поверхности резервуаров выполнена в топливо-заправочных организациях аэропортов Москвы (Домодедово, Шереметьево), Новосибирска (Толмачево), Самары (Курумоч), Мурманска, Томска, нефтеперерабатывающих заводов ООО «Кинеф», Бухарского НПЗ. За 6 лет эксплуатации с защитным покрытием «Temaline» внутренней поверхности резервуаров из лакокрасочных материалов «Temaline LP primer» и «Temaline LP 60» при температурных условиях окружающей среды от -40 до +40 ^оС не выявлено следов коррозии металла под покрытием.

Ряд предприятий применяют материалы «Amercoat 56E» (Голландия), «Permakor 128/A» и «Permakor 2807» (Германия).

Защитные системы компании «HEMPEL» (Дания), предлагаемые для российских партнёров, прошли комплексное тестирование и аттестованы в ряде специализированных центров (ВНИИСТ, ВНИИГАЗ, 25 ГосНИИ Минобороны России, ТатНИПИнефть, ПермНИПИнефть, Гипротюменнефтегаз и др.).

Среди применяемых ЛКМ производства компании «HEMPEL» большое место занимают эпоксидные материалы, имеющие общее название «HEMPADUR».

Материал «НЕMPADUR LТC 15030» дает возможность для проведения окрасочных работ при отрицательной температуре окружающего воздуха вплоть до минус 10 ^оС.

Для защиты внутренней поверхности новых резервуаров рекламируется покрытие усиленного типа «HEMPADUR 87540». Это эпоксидный материал, не содержащий летучих органических растворителей, наносящийся специальным оборудованием с двойной питающей линией с подогревом каждого компонента. Материал можно наносить за один проход, толщиной сухой пленки до 1000 мкм, для резервуаров выбрана толщина в диапазоне 400-600 мкм.

В ассортименте испытанных материалов, технология нанесения которых также освоена в производстве противокоррозионных работ, имеются цинксодержащие материалы на этилсиликатном связующем: это «ХЕМПЕЛ ГАЛВОСИЛ 1570», «Текноцинк СС».

Результаты испытаний, проведенных во ВНИИК (Москва), показали удовлетворительные защитные свойства покрытий на основе полиуретановых полимеров «Steel paint» с наполнителями -- цинковой пудрой или железной слюдкой. Покрытие стойко к агрессивным средам, обладает эластичностью за счет сетчатой объемной структуры. Покрытие «Steel paint» снижает скорость коррозии металла с 0,2 до 0,01 мм/год. Однако при всех достоинствах зарубежных покрытий следует отметить их высокую стоимость.

Высокие адгезионные и деформационные характеристики системы покрытия «ВИКОР» позволяют защищать от коррозии резервуары большой емкости, у которых прогиб стенок и "хлопуны" днища значительно превышают допустимые 4 мм на базе 2 м.

Обобщая изложенный обзорный материал по лакокрасочным покрытиям внутренней поверхности резервуаров, отмечено, насколько затруднителен выбор ЛКМ для конкретного резервуара. Обычно при проектировании исходят из стоимости покрытия и срока его службы с учетом рекламы производителя ЛКМ.

Лакокрасочные материалы покрытия наносят на внутренние поверхности стальных резервуаров, подготовленные механическими или химическими методами, а также на ржавые поверхности, предварительно обработанные преобразователями ржавчины. Лучшие физико-механические показатели и наибольший срок службы имеют покрытия, полученные при нанесении материалов на опескоструенные поверхности.

Выбор системы лакокрасочного покрытия (которые сейчас назначаются на основе имеющегося опыта применения) может быть значительно облегчен с использованием математических расчетов. Однако к настоящему времени такой подход при проектировании резервуаров не используется из-за отсутствия как самой модели, так и соответствующего нормативного документа.

Отбраковку покрытий внутренней поверхности резервуаров проводят по степени накопления различных дефектов под действием эксплуатационных факторов. Распространенными типами дефектов покрытий внутренней поверхности резервуаров являются образование пузырей, растрескивание и подпленочная коррозия (рисунок 1), приводящие в конечном итоге к отслоению покрытия от стальной основы и оголению металла, т. е. к потере защитных свойств покрытия.

У проектировщиков отсутствуют данные о влиянии покрытий на скорость коррозионного износа внутренней поверхности резервуара. Это не позволяет научно обоснованно устанавливать гарантийный срок безопасной эксплуатации резервуара и планировать сроки проведения мероприятий по ремонту или замене защитного покрытия.

По результатам аналитического обзора сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приведены результаты разработки математических моделей оценки скорости утонения стенок стальных резервуаров по данным толщинометрии.

Хранилища для бензинов представляют более высокую потенциальную опасность, так как легкие нефтепродукты, по данным М. В. Лыкова, способны растворять гораздо больше кислорода (что актуально при имеющей место коррозии стали преимущественно с кислородной деполяризацией).

В качестве объекта исследования рассмотрены стальные вертикальные резервуары различной емкости и с различными технологическими характеристиками для хранения бензина АИ-92 со стационарными крышами, понтонами и плавающими крышами, с лакокрасочными покрытиями и без них (всего 57 резервуаров на предприятиях нефтепереработки, магистрального трубопроводного транспорта и нефтебаз).

абвг

Рисунок 1 -- Виды дефектов покрытий внутренней поверхности резервуаров: а -- пузырь (12 мес. эксплуатации); б -- трещины в покрытии (18 мес. эксплуатации); в -- отслоение покрытия (3 года эксплуатации); г -- характерное разрушение покрытия, вызванное подпленочной коррозией металла (5 лет эксплуатации)

Последние 10-15 лет практически на всех предприятиях ведется плановый контроль толщины стенки резервуаров. Исходными данными для прогнозирования ресурса и изучения влияния многочисленных факторов в диссертационной работе служили производственные данные (результаты толщинометрии).

Основным методом сбора информации о динамике состояния резервуара являются периодические обследования, констатирующие изменение его параметров во времени.

Измерение толщины стенки обычно проводится ультразвуковым сканером вдоль вертикальной дорожки в диапазоне различных высот от днища с шагом Дх = 2 мм между смежными измерениями. На каждой координате обычно выполняется 8-10 измерений и вычитается среднее значение.

Результаты анализа состояния стальных вертикальных резервуаров, выбранных в качестве объекта исследования, приведены в таблицах 1-3.

На основании обследования утонения стенки резервуаров установлено различие скорости коррозии не только по высоте стенки резервуара, но и в зависимости от объема и коэффициента оборачиваемости.

Таблица 1 -- Результаты толщинометрии стенок резервуаров типа РВС

1 Резервуары РВС-5000 (высота замера толщины стенки -- от основания -- 50 % h) Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Среднегодовая температура, оС Скорость утонения стенки П, мм/год 48-54 8-12 0,092-0,108 47-53 -3-+3 0,062-0,075 45-55 3-7 0,086-0,094 47-53 13-17 0,139-0,141	2 Резервуары РВС (высота замера толщины стенки -- от основания --50 % h, среднегодовая температура 8-12 оС) Объем V, м3 Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 2000 47-53 0,151-0,153 5000 46-54 0,092-0,108 10000 46-55 0,090-0,092 20000 47-53 0,076-0,077
3 Резервуары РВС-5000 (коэффициент оборачиваемости 47-54 1/год, среднегодовая температура 8-12 оС) Высота от основания, h % Скорость утонения стенки П, мм/год 5 0,065-0,066 20 0,075-0,076 40 0,089-0,091 50 0,092-0,108 80 0,106-0,107 90 0,089-0,091 100 0,064-0,066	4 Резервуары РВС-5000 (высота замера толщины стенки -- от основания -- 50 % h, среднегодовая температура 8-12 оС) Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 48-64 0,092-0,108 2-4 0,074-0,076 8-12 0,086-0,088 94-105 0,114-0,115

Объем газового пространства для вертикальных резервуаров определяется в первую очередь типом применяемой крыши. Резервуары эксплуатируются в различных климатических условиях в широком диапазоне температур. Экспериментальное изучение кинетики коррозии стальной поверхности с учетом колебаний температуры в течение суток и по сезонам года, зависящее от дальней перспективы прогнозов погоды и других условий, не только представляется чрезвычайно трудной задачей, но и вряд ли имеет практический смысл. В этом плане удобнее пользоваться таким понятием, как среднегодовая температура стенки резервуара, а точнее внутренней поверхности стенки резервуара. Этот параметр в производственных условиях не контролируется. В связи с указанной трудностью, зависящей от температуры продукта, внешней среды, коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи элементов системы для приближенных расчетов среднегодовую температуру поверхности стенки резервуара приняли как среднюю между среднегодовой атмосферной температурой и среднегодовой температурой продукта.

Таблица 2 -- Результаты толщинометрии стенок резервуаров типа РВСПК

5 Резервуары РВСПК-5000 (высота замера толщины стенки -- от основания -- 50 % h) Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Среднегодовая температура, оС Скорость утонения стенки П, мм/год 48-54 8-12 0,061-0,062 47-53 -2-+2 0,038-0,048 45-55 4-5 0,048-0,061 47-53 13-17 0,093-0,103	6 Резервуары РВСПК (высота замера толщины стенки 50 % h, среднегодовая температура 8-12 оС) Объем V, м3 Коэффиц. оборачиваемости nо, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 5000 46-54 0,061-0,062 2000 47-53 0,095-0,097 10000 45-55 0,054-0,055 20000 47-52 0,038-0,056
7 Резервуары РВСПК-5000 (коэффициент оборачиваемости 47-54 1/год, среднегодовая температура 8-12 оС) Высота от основания h, % Скорость утонения стенки П, мм/год 5 0,031 20 0,041-0,043 40 0,034-0,056 50 0,061-0,062 70 0,027-0,041 90 0,021-0,031 100 0,026-0,048	8 Резервуары РВСПК-5000 (высота замера толщины стенки 50 % h , коэффициент оборачиваемости 47-54 1/год, среднегодовая температура 8-12оС) Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 46-54 0,092-0,108 2-4 0,067-0,069 8-12 0,077-0,079 92-110 0,011-0,012

Для каждого типа крыши резервуара была получена своя регрессионная зависимость, где в качестве зависимой (объясняемой) переменной Y была выбрана скорость утонения стенки, а в качестве независимых (объясняемых) переменных -- объем резервуара х₁, коэффициент оборачиваемости х₂, высота основания х₃ и среднегодовая температура х₄.

Все расчеты, используемые в данной работе, проводились с помощью специализированного статистического пакета программ Statistica 6.0.

Проведены исследования линейной и нелинейной моделей регрессии для резервуаров со стационарной крышей. При анализе линейной регрессии методом наименьших квадратов выполнена проверка отсутствия мультиколлинеарности с помощью матрицы частных коэффициентов корреляции. Определитель матрицы

коэффициентов корреляции в данном случае составил 0,97 и, следовательно, мультиколлинеарность практически отсутствует.

Таблица 3 -- Результаты толщинометрии стенок резервуаров типа РВСП

9 Резервуары РВСП-5000 (высота замера толщины стенки -- от основания --50% h) Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Среднегодовая температура, оС Скорость утонения стенки П, мм/год 48-53 8-12 0,065-0,069 47-53 -3-+2 0,042-0,055 45-57 4-7 0,052-0,066 45-55 12-17 0,089-0,097	10. Резервуары РВСП (высота замера толщины стенки -- от основания -- 50 % h, среднегодовая температура 8-12 оС) Объем V, м3 Коэффициент оборачиваемости nо, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 2000 47-53 0,092-0,110 5000 48-54 0,065-0,069 10000 45-55 0,059-0,060 20000 47-53 0,051-0,054
11 Резервуары РВСП-5000 (коэффициент оборачиваемости 46-55 1/год, среднегодовая температура 8-12 оС) Высота от основания h, % Скорость утонения стенки П, мм/год 5 0,022-0,039 20 0,026-0,041 40 0,041-0,051 50 0,065-0,069 70 0,034-0,055 90 0,029-0,046 100 0,024-0,042	12. Резервуары РВСП-5000 (высота замера толщины стенки -- от основания -- 50 % h, среднегодовая температура 8-12 оС) Коэффициент оборачиваемости no, 1/год Скорость утонения стенки П, мм/год 46-54 0,065-0,069 2-4 0,040-0,061 8-12 0,055-0,067 94-105 0,065-0,087

После расчетов в модуле «Множественная регрессия» пакета Statistica 6.0 получена оцененная регрессия вида

Y = 0,170544 - 0,018836lnx₁ + 0,012409lnx₂ + 0,000056x₃ + 0,004048x₄.(1)

Проверка адекватности осуществлялась следующим образом:

1) анализ показателей качества подгонки регрессионного уравнения на основе коэффициента детерминации, скорректированного с учетом числа независимых переменных.

2) проверка различных гипотез относительно параметров регрессионного уравнения;

3) проверка условий использования метода наименьших квадратов для многофакторного регрессионного уравнения, накладываемых на остатки (е_i = У_факт - У_расч);

4) содержательный анализ регрессионного уравнения.

При исследовании нелинейной модели регрессии учитывалось влияние каждого фактора на скорость утонения стенки резервуара. При этом установлено, что влияние высоты можно выразить в виде квадратической функции, ветви параболы которой направлены вниз. С учетом этого обстоятельства регрессионная модель приобретает вид

Y = ax₃ + bx₃² + clnx₁ + dlnx₂ + ex₄ + k.(2)

Оценка коэффициентов проводилась квазиньютоновским методом в модуле «Нелинейная оценка» пакета Statistica 6.0. В итоге получена регрессионная модель

Y = 0,148 - 0,022lnx₁ + 0,013lnx₂ + 0,002x₃ - 0,000017x₃² + 0,004x₄.(3)

Для определения качества подгонки расчётной модели к исходным данным нелинейной модели установлен индекс детерминации R² = 0,809. На основе этого индекса рассчитан индекс корреляции R = 0,883, характеризующий тесноту связи рассматриваемых факторов.

Проверку существенности уравнений нелинейной регрессии выполнили по F-критерию Фишера

(4)

где R² -- индекс детерминации нелинейной регрессии; n -- число наблюдений; h -- число оцениваемых параметров.

Табличное значение критерия Фишера F_табл (k₁, k₂) определялось для уровня значимости б, где степени свободы k₁ = h - 1, k₂ = n - h. В исследуемой регрессии число оцениваемых параметров h = 6, а F_расч = 86,36 превышает табличное значение. Установив, что F_расч > F_табл, гипотезу о том, что индекс детерминации незначим, отклоняем, и, следовательно, уравнение регрессии признаем существенным на уровне доверия 95 %.

Остатки регрессии, полученные после оценивания, оказались одинаково распределенными случайными величинами с нулевым математическим ожиданием. Это установлено в модуле «основные статистики» по существенности нормального распределения на основании критерия Колмогорова-Смирнова, а также по гистограмме остатков.

Выбор между линейной и нелинейной регрессией осуществили на сравнении индексов детерминации линейной и нелинейной регрессий (R²_л и R²_н) с учетом критерия Стьюдента, который рассчитан по формуле

(5)

где -- величина ошибки разности между R²_н и R²_л, определяемая формулой

(6)

Расчетное значение критерия Стьюдента равно t_расч = 6,85. Поскольку t_табл < t_расч, можно сделать вывод об однозначном выборе в пользу нелинейной модели регрессии.

В результате расчётов получена адекватная нелинейная модель для резервуара со стационарной крышей:

Y = 0,148 - 0,022lnx₁ + 0,013lnx₂ + 0,002x₃ - 0,000017x₃² + 0,004x₄.(7)

Для резервуаров, имеющих стационарную крышу и понтон (ПП), и с плавающими крышами (ПК) проведение спецификации регрессионных моделей опускаем, указав лишь конечные результаты.

Регрессионные модели для резервуара с крышами типа ПП и ПК получили вид:

Y_пп = 0,0545 - 0,0112lnx₁ + 0,0076lnx₂ + 0,002x₃ - 0,000018x₃² +0,0032x₄;(8)

Y_пк = 0,149 - 0,0127lnx₁ + 0,0114lnx₂ + 0,001x₃ - 0,000014x₃² + 0,0033x₄.(9)

Индексы корреляции для этих моделей R_пп = 0,8 и R_пк = 0,7. Значения F_расч = 81,25 (ПП) и F_расч = 69,95 (ПК) свидетельствуют о значимости построенных регрессий. Графики остатков подтвердили их случайность.

Как и в предыдущем случае (тип крыши СК), получили существенность нормального распределения остатков на основании критерия Колмогорова-Смирнова и визуального анализа гистограммы остатков.

Для оценки влияния факторов на скорость утонения стенки определены частные коэффициенты эластичности для каждой из независимых переменных, значения коэффициентов приведены в таблице 4. Частные коэффициенты эластичности определяли по общей формуле

(10)

где -- среднее значение i-го фактора, -- среднее значение зависимой переменной.

Таблица 4 -- Коэффициент эластичности Е независимых переменных

Фактор	Тип крыши	Формула	Е, %
Объем	СК		-22,5
	ПП		-18,19
	ПК		-22,7
Оборачиваемость	СК		14,18
	ПП		13,66
	ПК		20,44
Высота от основания	СК		7,71
	ПП		5,01
	ПК		7,34
Среднегодовая температура стенки	СК		41,94
	ПП		51,05
	ПК		58,7

Коэффициент эластичности по i-му фактору показывает, на сколько процентов увеличится в среднем значение зависимой переменной у при изменении i-го фактора на 1 % относительно своего среднего значения, при условии, что остальные факторы имеют фиксированные значения.

На основании проведенных выше исследований сделан вывод о том, что наибольшее влияние на скорость утонения стенки резервуара с любым типом крыши оказывает температура, так как для нее значение среднего коэффициента эластичности имеет самое большее значение по сравнению с коэффициентами для остальных факторов (от 41,94 до 58 %). Отметим, что влияние объема на среднюю скорость утонения также достаточно велико (от 18,7 до 22,5 %), только это влияние имеет отрицательное направление. Увеличение коэффициента оборачиваемости на 1 % от среднего показателя приводит к положительному изменению скорости утонения по отношению к своему среднему значению на 20,44 % для типа крыши резервуара ПК и на 13,66 и 14,18 % для типов крыш ПП и СК соответственно.

Интересные результаты получились по определению влияния высоты на скорость утонения: в целом влияние этого фактора по сравнению с другими достаточно мало (по абсолютной величине не превышает 8 %), при этом для резервуара с типом крыш СК и ПП это изменение составляет в 7,71 и 5,01 % прироста по отношению к средней величине соответственно, а для резервуара с типом крыши ПП -- показатель скорости уменьшился на 7,34 % относительно своего среднего значения.

Свободный член, присутствующий в каждой из моделей, учитывает ненаблюдаемые изменения, влияющие на скорость утонения стенки резервуара.

Полученные уравнения позволяют определить среднюю скорость утонения любого участка стенки всех типов вертикальных стальных резервуаров, любых объемов, оборачиваемости и среднегодовой температуры.

Модель оценки утонения стенок справедлива для стальных поверхностей обечаек, не имеющих защитного покрытия внутренней поверхности. Результаты оценочных расчетов показывают удовлетворительное совпадение с практическими данными.

На основании обследования утонения стенки резервуаров установлено различие скоростей коррозии не только по высоте стенки резервуара, что хорошо иллюстрирует рисунок 2, но и в зависимости от объема и коэффициента оборачиваемости. С увеличением объема резервуара при одинаковой оборачиваемости скорость утонения стенки снижается (таблица 5), а при повышении оборачиваемости резервуаров одинакового объема скорость утонения стенки возрастает (таблица 6).Скорость утонения стенки резервуаров возрастает с повышением среднегодовой температуры стенки (таблица 7).

Рисунок 2 -- Скорость утонения стенки резервуаров с различными типами крыши (t = 10 ^оС, n_о = 60): 1 -- РВС-5000; 1' -- РВС-50000; 2 -- РВСПК-5000; 2' -- РВСПК-50000; 3 -- РВСП-5000; 3' -- РВСП-50000

В третьей главе приведены результаты оценки защитной способности лакокрасочных покрытий и повышения ресурсов безопасной эксплуатации резервуаров с учетом полученных математических моделей.

При контакте с агрессивными средами свойства полимерных покрытий изменяются в большей или меньшей степени в зависимости от вида материала, его химической стойкости и других факторов. В первую очередь, как правило, изменяются механические свойства покрытий -- их прочность и эластичность. Степень этих изменений обусловливается в равной мере как природой среды, так и природой полимера.

Таблица 5 -- Средняя скорость утонения (мм/год) стенок бензиновых резервуаров различной емкости при оборачиваемости 50 объемов в год

Расстояние, в % от основания	РВС-2000	РВС-5000	РВС-10000	РВС-20000	РВС-50000
10	0,106	0,07	0,064	0,054	0,050
30	0,122	0,08	0,073	0,062	0,057
50	0,160	0,105	0,095	0,081	0,074
70	0,190	0,125	0,109	0,092	0,089
90	0,137	0,09	0,082	0,069	0,064

Таблица 6 -- Влияние оборачиваемости на скорость коррозии резервуаров РВС-5000

Расстояние, в % от основания	Скорость утонения стенки, мм/год, при различной оборачиваемости, 1/год
	1-5	8-12	40-60	80-120	180-200
10	0,052	0,061	0,07	0,077	0,092
30	0,061	0,071	0,082	0,090	0,109
50	0,079	0,091	0,105	0,116	0,138
70	0,085	0,098	0,113	0,124	0,134
90	0,062	0,072	0,083	0,092	0,095

Таблица 7 -- Зависимость скорости утонения стенки резервуара РВС-5000 на высоте 50 % от основания от среднегодовой температуры стенки при оборачиваемости n_о = 50

Среднегодовая температура воздуха снаружи резервуара, оС	Температура продукта, оС	Среднее значение температуры, оС	Скорость утонения стенки, мм/год
-10	+10	0	0,07
-10	+20	5	0,09
0	+20	10	0,11
0	+30	15	0,14
+15	+25	20	0,19
+10	+40	25	0,26

Повышение адгезионной связи покрытия со стальной поверхностью является одним из наиболее важных и эффективных методов улучшения защитной способности покрытий. Высокая прочность сцепления покрытия с металлом обеспечивается за счет хемосорбционной связи при взаимодействии активных функциональных групп как самих пленкообразующих, так и отвердителей, модифицирующих добавок с активными центрами поверхности металла.

Авторы в своих исследованиях по созданию защитных покрытий и клеев, начатых еще в 1940-х гг. А. А. Берлиным, руководствовались представлениями об определяющей роли в адгезии химической природы адгезива и субстрата, т. е. типа и количества функциональных групп на поверхности адгезива и субстрата и их способности к взаимодействию.

Известно, что теоретическое значение адгезионной прочности в системе полимер-металл может достигать 200-1200 МПа. Однако экспериментально определяемая адгезионная прочность значительно ниже и, как правило, не превышает 10-40 МПа, так как ряд факторов снижает теоретическое значение адгезионной прочности.

Прочность адгезионной связи покрытия с подложкой заметно изменяет кинетику подпленочной коррозии стенки резервуара. Время защитного действия полимерных покрытий ф складывается из трех составляющих:

ф = ф_п + ф_з + ф_к,(11)

где ф_п -- время проникновения агрессивной среды через слои покрытия к металлической поверхности; ф_з -- время задержки коррозии металла (инкубационный период); ф_к -- время, в течение которого под пленкой ЛКП прокорродирует некоторое количество металла, а пленка еще не начнет разрушаться. Несмотря на коррозию металла, начинающуюся под покрытиями толщиной до 1 мм через десятки минут или сотни часов (в зависимости от температуры и проницаемости среды), защитные покрытия эксплуатируются месяцы и годы до достижения допустимого уровня местных нарушений сплошности, являющихся признаками разрушения покрытия. резервуар коррозия лакокрасочный

Сплошность защитных покрытий является определенной гарантией их работоспособности. Тем не менее с появлением единичных дефектов защитные функции покрытия еще сохраняются.

На рисунке 3 схематически проиллюстрирована предложенная нами зависимость ?д = f(ф), где ?д -- припуск на коррозию стенки, ф -- продолжительность эксплуатации резервуара, ?д_max -- принятый при проектировании припуск на коррозию стенки резервуара.

Рассмотрены два покрытия с условными номерами 1 и 2, продолжительность работы которых до замены составляет соответственно ф₃ и ф₅. Отрезки прямых 1 и 2 отображают кинетику утонения стенки резервуара с нанесенным покрытием 1 и 2, получаемую по результатам измерений толщины стенки резервуаров. Замена покрытий на новые проводится обычно в соответствии со сроками, рекомендованными изготовителем лакокрасочного материала. Величина припуска на коррозию стенки резервуара не оговаривается нормативными требованиями, назначается проектировщиком по согласованию с заказчиком и не бывает значительной, так как это приводит к увеличению стоимости резервуара.

Рисунок 3 -- Графическая интерпретация утонения стенки резервуара за счет коррозии металла: 1 -- динамика утонения стенки с лакокрасочным покрытием № 1; 2 -- динамика утонения стенки с лакокрасочным покрытием № 2; 3 -- прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара с покрытием № 2; 4 -- прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара с покрытием № 1; 5 -- прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара для обеспечения нормативного срока эксплуатации резервуара (пересекается с осью абсцисс в точке ф_н; 6 -- прямая, соответствующая средней скорости утонения стенки резервуара при отсутствии антикоррозионной защиты

Обычно принятое при проектировании значение ?д_пр составляет от 1 до 2,5 мм в зависимости от объема и условий эксплуатации резервуара. Она может различаться и по коррозионно-опасным зонам: крыша-стенка-днище.

Для обеспечения нормативного срока эксплуатации скорость утонения стенки должна быть равна:

(12)

Максимальному утонению стенки подвержены при отсутствии антикоррозионной защиты внутренней поверхности резервуара. Скорость утонения при этом равна средней скорости коррозии металла (линия 6) и связана со сроками эксплуатации до замены листов соотношением

(13)

где ф₀ -- время, по истечении которого припуск на коррозию стенки будет «съеден» коррозией при отсутствии защитного покрытия; П₀ -- среднегодовая скорость коррозии внутренней поверхности стенки резервуара при отсутствии антикоррозионной защиты.

Линии 3 и 4 соответствуют средней скорости коррозии стенки резервуара для двух разных по защитным свойствам покрытий.

В случае, если утонение стенки может быть представлено отрезками 2, средняя скорость утонения меньше П_н и нормативный срок эксплуатации обеспечивается. Кроме того, период до замены покрытия на новое может быть увеличен на величину Dt:

(14)

t₄ -- срок замены покрытия № 2 по рекомендациям изготовителя; ф₅ -- срок эксплуатации покрытия № 2 до замены на новое из условий обеспечения приемлемой скорости утонения стенки резервуара. Такие покрытия встречаются крайне редко.

В случае, если утонение стенки может быть представлено отрезками 1, средняя скорость утонения стенки выше П_н и нормативный срок эксплуатации резервуара при использовании таких покрытий не обеспечивается.

Условием обеспечения нормативного срока П_н эксплуатации резервуара без капитального ремонта, связанного с заменой листов, является