Оценка структурных параметров сталей и ресурсных характеристик резервуаров для хранения нефтепродуктов в условиях длительной эксплуатации

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

05.02.01 - Материаловедение (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Оценка структурных параметров сталей и ресурсных характеристик резервуаров для хранения нефтепродуктов в условиях длительной эксплуатации

Вотинов Андрей Валерьевич

Краснодар - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бледнова Жесфина Михайловна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Пустовойт Виктор Николаевич;

доктор технических наук, профессор Крапошин Валентин Сидорович

Ведущая организация:

ЗАО «Научно-исследовательский проектно-изыскательский институт «ИНЖГЕО», г. Краснодар

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, диссертационный совет Д 212.100.02

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент Пунтус А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Многочисленные отказы вертикальных стальных резервуаров (РВС) и технологических трубопроводов наносят значительный экономический и экологический ущерб и приводят к риску жизни людей. Обострившиеся в последнее десятилетие проблемы остаточного ресурса обуславливают необходимость проведения исследований в вопросах механики, физики и химии деградационных процессов, приводящих к изменению и повреждению структуры металла, снижению прочностных характеристик, образованию трехмерных дефектов коррозионного или усталостного характера и, как следствие, к отказам технических систем. Для количественной оценки деградационных процессов необходимо проведение исследований по оценке механических характеристик с учетом эффекта старения и накопленных повреждений с обязательными комплексными металлографическими исследованиями особенностей макро и микроструктуры. Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области деградации основного металла в процессе эксплуатации (А. Вествуд, В.М. Горицкий, Э.М. Гутман, Г.В. Карпенко, В.С. Иванова, Л.С. Лившиц, В.И. Лихтман, Х. Никольс, О.Н. Романив, У.Ростокер, В.А. Скуднов М.И. и др.) и сварных соединений (Б.Е. Патон, Д.Л. Поправка, О.И. Стеклов, В.М., Чертов и др.) и разработки способов повышения долговечности металлоконструкций, подверженных коррозионно-механическому разрушению, задача прогнозирования разрушения конструкционных материалов и изделий из них в условиях воздействия нефтепродуктов до конца не решена.

Малоизученным остается вопрос степени опасности того или иного вида структурной поврежденности для образования и развития конкретного вида дефекта, либо снижения механических свойств до недопустимого предельного состояния. Поэтому оценка структурных параметров сталей и ресурсных характеристик резервуаров для хранения нефтепродуктов в условиях длительной эксплуатации является актуальной задачей. Актуальность и практическая значимость исследований в этой области резко возрастает по мере увеличения проектных ресурсов оборудования и повышения требований к безопасности, а в последние годы еще и в связи с увеличивающейся напряженностью их работы и повышающейся коррозионной активностью транспортируемой продукции и внешней окружающей среды.

Основанием для выполнения работы послужили:

- госбюджетная тема 6.5.2.01-05 кафедры ДПМ КубГТУ «Конструктивно-технологические методы повышения долговечности деталей машин и элементов конструкций, работающих в сложных условиях нагружения»;

- федеральная целевая НТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»; подпрограмма 08.02 «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф»; проект 1.5.2. «Создание научных основ безопасности по критериям механики разрушения для проектных, запроектных и гипотетических аварий».

Цель работы

Оценка состояния металла и остаточных служебных свойств оборудования морского терминала, длительно контактирующего с нефтепродуктами, (резервуаров и технологических трубопроводов) с учетом влияния климатических условий, технологических и эксплуатационных дефектов и разработка методов повышения долговечности и надежности.

Основные задачи исследования:

- оценить влияние длительной эксплуатации стали, контактирующей с нефтепродуктами, на изменение ее структуры и механических свойств;

- произвести статистический анализ образования дефектов формы РВС в процессе эксплуатации и оценить напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров с учетом эксплуатационных нагрузок, климатических условий, технологических факторов и дефектов формы;

- рассмотреть механизм коррозионно-усталостного разрушения сталей, находящихся в условиях длительного контакта с нефтепродуктами и разработать способы повышения долговечности и надежности сварных соединений, работающих в условиях воздействия коррозионно-активных сред;

- разработать конструктивно-технологические способы повышения надежности компенсационных систем, работающих с нефтепродуктами;

- оценить риск техногенного характера при эксплуатации оборудования морского терминала, длительно контактирующего с нефтепродуктами;

Объект исследования. Резервуары и технологические трубопроводы морского терминала ОАО «НК «Роснефть-Туапсенефтепродукт». Предметом исследования являются механические свойства материалов после различных сроков эксплуатации и ресурсные характеристики резервуаров с целью выработки рекомендаций по продлению ресурса, обеспечению надежности, безопасности и снижению риска разрушения.

Методология и методы исследования

Методы исследования, используемые в работе, (металлографический, дюрометрический, мультифрактальной параметризации, механических испытаний при статическом и циклическом нагружении в условиях воздействия сред и кинетики роста трещин, коррозионных испытаний), базируются на основных положениях металловедения, термодинамики, физико-химической механики материалов, физического и математического моделирования, численного моделирования НДС методом конечных элементов (МКЭ). Обследования резервуаров и трубопроводов производилось современными методами неразрушающего контроля. Для обработки результатов использовались методы статистической обработки результатов. При решении поставленных задач использовались программы NASTRAN for windows, MATCAD, STATISTICA.

Научная новизна:

- модель структуры материала, поврежденного в результате длительного контакта с нефтепродуктами, позволяющая оценить ее повреждаемость на основании аналогии структурной и термодинамической активности, подтверждаемая экспериментальным исследованием кинетики роста трещин;

- новый метод определения остаточного ресурса резервуара на основе предложенной модели материала, теории растворов и анализа кинетики роста трещины;

- результаты исследования влияния длительной эксплуатации в условиях контакта с нефтепродуктами (до 25 лет) на механические свойства стали и оценка структурных параметров на основе фрактально-синергетического и упругопластически-деструкционного подхода;

- статистические закономерности формирования дефектов формы РВС (осадка основания) при малых сроках эксплуатации в условиях жаркого и влажного климата;

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- предложен способ повышения долговечности и надежности сварного соединения, работающего в контакте с коррозионно-активными средами;

- разработана конструкция компенсатора трубопровода, защищенная патентом РФ №2265769;

- произведена оценка надежности и риска на основе численного моделирования НДС вертикальных стальных резервуаров с учетом монтажных, технологических, эксплуатационных, климатических факторов;

- предложен новый метод расчета степени деформации резервуаров в зависимости от климатических условий, позволяющий определять абсолютную и относительную погрешность изменения объема нефтепродукта;

- предложен экспериментальный способ определения остаточного ресурса РВС, контролируемый анализом состояния образца металла работающего в том же режиме малоциклового нагружения, что и резервуар (ПМ №49265);

- произведена оценка риска с учетом обобщенной стоимости потерь и вероятности возникновения аварии.

Реализация результатов работы: результаты работы использованы при разработке проектов нормативных документов:

- «Правила технической эксплуатации стальных резервуаров для нефтепродуктов и инструкции по ремонту в системе ОАО «Роснефть» 2002;

- «Руководство по ремонту стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов в системе ОАО «Роснефть» 2002.

Основные положения, выносимые на защиту:

- модель структуры материала, поврежденного в результате длительного контакта с нефтепродуктами, позволяющая оценить ее повреждаемость;

- результаты экспериментального исследования влияния длительных сроков эксплуатации РВС (до 25 лет) на механические свойства и оценка структурных параметров сталей;

- результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния РВС с учетом монтажных, технологических, эксплуатационных, климатических факторов и оценка ресурса;

- способ повышения долговечности сварных соединений, работающих в коррозионно-активных средах;

- способ определения остаточного ресурса резервуара, контролируемый анализом состояния образца металла работающего в том же режиме малоциклового нагружения, что и резервуар (патент ПМ №49265);

- патентно-чистый способ повышения надежности компенсационных систем и конструкция компенсатора трубопровода (патентом РФ №2265769).

Достоверность полученных результатов обеспечивается методологией исследований, основанной на трудах отечественных и зарубежных ученых; использованием нормативных документов, статистических данных, современных методов неразрушающего контроля; минимальными погрешностями расчетных и экспериментальных данных и непротиворечивостью известным научным положениям.

Личный вклад соискателя состоит в постановке и реализации задач исследования, в сборе и обработке статистических данных, формулировке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на международных научных конференциях: «Инженерия поверхности» (Ялта, 2005); «Технический сервис машин» (Орел, 2000); «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2001); «Современные материалы и технологии» (Пенза 2002); «Экология, экономика, техника и образование» (Туапсе, 2002); «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения, (С.-Петербург, 2005); «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005); «Надежность и ремонт машин», (Гагры, 2005); «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006); III Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин (Якутск, 2006).

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 научных работах (3 в рецензируемой печати), 2 патентах РФ, 1 положительном решении по заявке на патент и использовано при разработке проектов 2 нормативных документов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников (120 наименований). Объем диссертации составляет 203 страницы, в том числе 93 рисунка 34 таблиц и приложений.

содержание работы

Введение

Раскрывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна исследований и их практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена характеристика объекта исследования - морского терминала, включающего два резервуарных парка из 59 резервуаров, морской причал с глубоководным нефтепирсом и систему технологических трубопроводов. Проведенный анализ опубликованных работ по проблеме отказов оборудования (резервуаров для хранения нефтепродуктов, технологических трубопроводов и компенсационных систем) и собственные исследования на основе использования актов технического состояния оборудования ОАО «НК «Роснефть-Туапсенефтепродукт» и заключений экспертизы промышленной безопасности Гостехнадзора России позволил выделить следующие основные факторы, определяющие его работоспособность и безопасную эксплуатацию: коррозионный износ резервуаров для хранения нефтепродуктов; дефекты сварных соединений и искажение формы стенки из-за низкого качества монтажа; неравномерные осадки основания; особенности воздействия климатических условий (температура от -19 до +39^оС, высокая влажность), способствующие ускоренному протеканию коррозионных процессов.

Анализ показал, что значительная часть отказов оборудования приходится на первые три года эксплуатации, т.е. до первого планового диагностического обследования. Показана необходимость и целесообразность проведения систематических исследований образования дефектов в первые годы эксплуатации для выработки рекомендаций по проведению своевременного планово-предупредительного ремонта без вывода резервуаров из эксплуатации.

Во второй главе приведены необходимые сведения о материалах методиках и средствах проведения исследований. Описаны оригинальные технологии повышения долговечности и методики исследования эксплуатационных свойств. Предложен технологичный комбинированный метод одновременного формирования сварного шва и защитного плазменного покрытия. Особенность процесса заключается в создании защитного покрытия из того же материала, что и свариваемые, при котором достигается равенство химических потенциалов материалов, что предотвращает интенсивную локальную коррозию сварного шва. Приведена конструкция установки для проведения испытаний на длительную прочность и малоцикловую усталость (патент ПМ №49265), позволяющая при проведении исследований учитывать условия эксплуатации и повреждения конструкции. Достоинство предлагаемого способа, по сути неразрушающего способа контроля состояния резервуаров, заключаются как в возможности мониторинга накопления коррозионных повреждений, так и в исследовании влияния конструктивных и технологических факторов на долговечность конструкции при оценке остаточного ресурса.

В третьей главе изложены результаты экспериментальной оценки свойств основного металла (рис. 1), металла швов резервуаров и технологических трубопроводов после различных сроков эксплуатации до 25 лет.

Длительная эксплуатация в условиях воздействия сред приводит к деформационному старению металла, т.е. к снижению сопротивляемости хрупкому разрушению. Коэффициент старения для исследованных сталей после 25 лет эксплуатации равен 1,1ч1,34. Испытания показали, что характеристики прочности имеют небольшие отклонения от нормативных значений, но наблюдается значительное снижение характеристик пластичности (рис. 2).



Рисунок 1 - Характеристики механических свойств основного металла исследованных резервуаров после 25 лет эксплуатации; светлая зона - область разброса значений

Рисунок 2 - Относительное изменение механических характеристик стали 09Г2С в зависимости от срока эксплуатации

Изменения механических характеристик различных зон сварного соединения в процессе эксплуатации стали 09Г2С, показали, что наиболее интенсивные деградационные процессы происходят в зоне термического влияния (ЗТВ): у_Т повышается на 12-13% после 20 лет эксплуатации; характеристики пластичности снижаются (д на 25-30%). Анализ микротвердости сварного соединения показал наличие зон разной твердости 1400-2200 МПа. При нагружении совместная работа этих зон приводит к появлению специфических полей деформаций, которые оказывают существенное влияние на напряженное состояние конструкции. Микротвердость сварного соединения хорошо коррелирует с размером зерна (рис. 3). Зонам повышенной микротвердости соответствует меньший размер зерна.

Рисунок 3 - Изменение размера зерна сварного соединения после 25 лет эксплуатации

Исследования деградации структуры сварного соединения в процессе длительной эксплуатации и в результате технологического процесса сварки (рис.4, табл. 1) проводились методом мультифрактальной параметризации структуры.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 4 - Структура сварного шва (1), зоны термического влияния (3) и основного металла (5) стали 09Г2С после 25 лет эксплуатации

Расчет мультифрактальных характеристик осуществлялся с помощью программы MFRDrom, разработанной в ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН. В таблице 1 приведены результаты анализа сварного соединения стали 09Г2С после 25 лет эксплуатации (скрытая периодичность ; порог устойчивости ; размерность самоподобия ; однородность ; адаптивность ).

По результатам мультифрактального анализа построена фрактальная карта адаптации структуры сварного соединения стали 09Г2С, из которой следует, что большая часть исследованных точек перемещается в область деградации. Определение фрактальных характеристик позволило установить структурные изменения и оценить адаптационные свойства структуры.

Таблица 1

Мультифрактальные характеристики структуры сварного соединения стали 09Г2С

Область	№ участка
центр шва	1	-0,356	3,975	1,355	1,541	1,55	1,755	0,28	0,52
	2	-0,16	2,987	1,392	1,626	1,653	1,74	0,265	0,5
шов	3	-0,293	4,485	1,384	1,847	1,694	1,85	0,375	0,7
	4	-0,298	5,983	1,543	1,641	1,652	1,757	0,282	0,53
	5	-0,259	5,986	1,592	1,595	1,632	1,796	0,321	0,6
	6	- 0,254	4,041	1,561	1,656	1,685	1,844	0,369	0,69
край шва	7	-0,286	6,486	1,58	1,59	1,607	1,695	0,22	0,41
	8	-0,312	6,169	1,507	1,652	1,672	1,772	0,297	0,56
участок Н	9	-0,522	7,198	1,617	1,599	1,626	1,866	0,391	0,73
участок НПК	10	-0,496	6,896	1,5	1,557	1,567	1,861	0,386	0,72
участок отпуска	11	-0,293	6,492	1,548	1,58	1,592	1,919	0,444	0,8
основа	12	-0,238	4,446	1,52	1,399	1,42	1,779	0,304	0,57

Оценка остаточного ресурса может осуществляться по данным о техническом состоянии, полученных методом экспертных оценок (патент ПМ №49265) по критерию образования или развития трещин при циклическом нагружении; возникновению разрушения при наличии дефектов. Для резервуаров предпочтительным является первое из указанных предельных состояний.

Рисунок 5 - Кривые малоцикловой усталости в различных условиях эксплуатации: 1- испытания на воздухе; 2 - в 3% NaCl; 3 - в мазуте; 4 - в керосине Туапсинского терминала

Исследования циклической долговечности стали 09Г2С при чистом симметричном изгибе при частоте 0,11 цикл/с в условиях воздействия эксплуатационных сред показали (рис. 5), что мазут является коррозионно-активной средой и приводит к снижению долговечности. Керосин менее активен и незначительно снижает долговечность только в области многоцикловой усталости.

Для оценки структурных параметров стали и остаточного ресурса резервуаров образцы могут подвергаться периодическому визуальному, металлграфическому, электронно-фрактографическому, дюрометрическому, рентгеноструктурному и мультифрактальному анализу. Проведенный анализ известных методик показал, что для количественной оценки деградации структуры можно рекомендовать разработанной Л.М. Рыбаковой упруго-пластически-деструкционый анализ. Анализ деструкционной диаграммы стали 09Г2С показывает, что точка деструкции соответствует напряжению деструкции 465 МПа и необратимой остаточной деформации 4,3%. С точки зрения концепции безопасной повреждаемости после достижения точки деструкции эксплуатация резервуара сопряжена со значительным риском.

В четвертой главе исследовано влияние эксплуатационных, технологических факторов и климатических условий на НДС и ресурсные характеристики РВС. Большой объем исследований по влиянию осадки основания на возникновение и формирование погиби и остаточный ресурс РВС в районах Сибири и Крайнего Севера, выполнен В.А. Прохоровым, В.В. Москвичевым, А.М. Лепихиным, А.П. Черняевым, В.Н. Пермяковым, Л.А. Алифановым.

РВС 10000 м³ менее 5 лет

Разность отметок смежных точек, мм

Модуль разности отметок смежных точек, мм

Рисунок 6 - Статистические закономерности осадки основания РВС

Учитывая, что большая часть отказов РВС происходит в первые годы эксплуатации, нами выполнен детальный статистический анализ несовершенств формы РВС 10000 м³ и 20000 м³, эксплуатирующихся до 5 лет и более в климатических условиях Черноморского побережья РФ (рис. 6). Оценка опасности дефектов формы (осадки основания) произведена на примере предаварийного резервуара РВС №10 емкостью 20000 м³ (рис. 7). Проведенный анализ показал, что через 49 месяцев эксплуатации средняя осадка по окрайкам днища резервуара составила 258 мм, полная осадка днища в центре резервуара составила 650 мм, крен резервуара по двум противоположным точкам 7 и 17 составил 170 мм. В процессе осадки основания резервуара искажение правильной цилиндрической формы резервуара приводит к перераспределению напряжений и вызывает отклонения образующих от вертикали, выпучины и вмятины (рис. 8). Для оценки ресурса РВС произведена оценка влияния технологических и эксплуатационных факторов на НДС резервуара.

Рисунок 7 - Максимальная разность высотных отметок на длине 6 м аварийного резервуара

Рисунок 8 - Общий вид резервуара №10 РВС 20000 м³ в деформированном состоянии

Задача определения НДС обечаек резервуара решалась МКЭ и реализовалась в среде программного комплекса NASTRAN как в линейной, так и в нелинейной постановке. Моделирование производилось с учетом всех конструктивных особенностей и климатических температур (от -20 до + 60^ОС); толщину стенки принимали с учетом коррозии - по данным фактических замеров. Численное исследование НДС РВС 20000 м³ (рис. 9) дает удовлетворительное совпадение с фактическими значениями отклонений от вертикали.

Рисунок 9 - Эквивалентные напряжения по образующей 4 (а), перемещения по образующей 15 (б) от: 1 - гидростатического давления нефтепродукта; 2- давления и осадки основания; 3 - давления и температуры +60^оС

Для оценки надежности РВС рассматривали неравномерную осадку в сочетании с другими нагрузками и воздействиями, в частности, с учетом макрогеометрических несовершенств сварного шва. Выполнено численное моделирование сварного соединения, имеющего радиальное смещение соединяемых листов 2 мм при толщине соединяемых листов 6 и 8 мм. Оценивалось влияние геометрии соединения на прочность с учетом изменения механических характеристик основного металла, сварного шва и ЗТВ. Использовалась упруго-пластическая модель материала (Е = 2?10⁵ МПа, и м = 0,3). Проведенный анализ показал, что максимальный условный коэффициент влияния несовершенств составляет 1,27 (рис. 10).

долговечность коррозионный усталостный металл нефтепродукт



Рисунок 10 - Линии равного уровня коэффициента влияния несовершенств

Предложена методика оценки НДС резервуаров от факторов климатического характера, основанная на изменении объема нефтепродукта (табл. 2).

Таблица 2

Методика оценки НДС резервуаров от факторов климатического характера, основанная на изменении объема нефтепродукта

Объем резервуара V, м3	Абсолютная погрешность V, м3	Относительная погрешность , %	Температура t, oC
10000	6,27	0,057	-20
	15,93	0,15	20
	25,04	0,23	60
20000	11,77	0,055	-20
	30,66	0,14	20
	49,55	0,23	60

Разность температур стенки и днища t рассматривается как асимметричное температурное воздействие на стенку. НДС представлена как суперпозиция термоупругого состояния и краевого эффекта. Для оценки краевого эффекта использовалось дифференциальное уравнение цилиндрической оболочки при отсутствии силовой нагрузки. Односторонний постоянный по высоте нагрев стенки солнечной радиацией представлялся функцией, принимающей значение при -р/2? 0? р/2 и равной нулю на остальной части оболочки. Здесь, Т₀ - амплитуда температуры, - угловая координата. Эта функция изменения температуры стенки апроксимировалась рядом Фурье. Результаты расчета изменения объема резервуара за счет деформации в процессе его наполнения при разных значениях температуры окружающей среды и нефтепродукта приведены в таблице 2, а зависимость прогиба стенок от высоты налива нефтепродукта на рис. 11.

Рисунок 11 - Зависимость величины прогиба стенок РВС 20000 м от высоты налива: 1-h = 2.23 м; 2 - h = 5.22 м; 3 - h = 8.20; 4 - h = 11.20 м; 5 - h = 14.16 м; 6 - h = 17,14 м

Опасность заключается как в изменении физико-механических характеристик сталей под воздействием сред, так и в эффекте концентрации напряжений, что приводит к аварийным ситуациям. С помощью оптико-механического тепловизора методом сканирующей пирометрии в нижнем поясе РВС 20000 м³ была обнаружена коррозионная язва, теплограмма которой представлена на рис. 12.

Резервуары часто выходят из строя в результате развития локальных коррозионных процессов.

В результате натурных измерений деформаций и напряжений в зоне дефекта при самом неблагоприятном сочетании нагрузок и статистической обработки результатов измерения (объём выборки n = 18) математическое ожидание максимального напряжения изменялось от m_Y2 = 250 МПа до m_Y2 = 450 МПа, а у_в стали составило m_Y1 = 470 МПа (объем выборки 25). Среднеквадратические отклонения: _Y1 = 20 МПа; _Y1 = 80 МПа. Расчет величины экологического риска и уровня надежности в области дефекта, выполненный с использованием программы MathCAD (рис.12.), показал, что экологический риск резко возрастает (от 3 тыс. $ при = 250 МПа до 325 тыс. $ при = 450 МПа).

Рисунок 12 - Теплограмма коррозионного дефекта стали (М 1:1); в нижнем поясе резервуара (снимок получен на расстоянии 3 метров от корпуса резервуара) - (а); конечно-элементная модель дефекта - (б); линии равного уровня условного коэффициента концентрации напряжений - (в); надежность и экологический риск - (г).

Основным фактором, ограничивающим долговечность сталей после определенного срока эксплуатации при контакте с нефтепродуктами, является коррозионное разрушение. Рассмотрение разрушения в коррозионной среде в условиях общей коррозии, активированной механическими напряжениями, на основе термофлуктуационного подхода, развитого в работах Э.Ф. Гутмана и др., позволило определить скорость коррозии и относительную долговечность. Для РВС 20000 м³ из стали 09Г2С радиусом 19,45 м, с переменной толщиной стенки, нагруженного внутренним давлением столба нефтепродукта высотой 17,88 м, собственным весом конструкции, включающим вес крыши 203 т (общая масса составляет 420 т), при коэффициенте запаса прочности 1,5, _т = 320 МПа и эквивалентных напряжениях в стенках резервуара, определенных МКЭ с учетом климатических температурных воздействий 140-239 МПа, относительная долговечность составляет 0,18, а скорость коррозии составила 0,11 мм в год для нижнего пояса резервуара при наличии подтоварной воды и 0,05 мм в год для верхних и средних поясов, что ниже допустимых значений.

При рассмотрении вопроса о развитии дефектов в стенках резервуаров, вызванных совместным воздействием коррозионной среды и напряжений, сделаны следующие модельные представления:

- рассматриваемый материал представляет собой раствор дефектов в железе, находящихся в динамическом равновесии; при определенном напряжении (начальном) динамическое равновесие нарушается, и количество избыточных дефектов растет; вакантные места коагулируют, образуя поры в вершинах микротрещин;

- при воздействии на деформируемый металл агрессивной среды, атомы которой способны диффундировать в деформируемый металла, в вершине микротрещины образуются поры заполненные атомами агрессивной среды;

- количество избыточных вакантных мест, выделяющихся при действующем напряжении, выше начального, или относительная длина формирующейся трещины l/l_k пропорциональна относительному числу циклов переменных напряжений N/N_k или времени действия постоянного напряжения. Способность раствора (сплава) выделять при действующем напряжении избыточное количество вакантных мест назовем структурной активностью а_ст = l/l_k = .

Высказанные предположения основаны на ранее сформулированных положениях об аналогии повреждаемости и термодинамической активности, подтвержденных экспериментально: если термодинамическая активность компонента обладает отрицательным отклонением от закона Рауля, то имеет место торможение поврежденности и повышение циклической долговечности.

Согласно предложенному ранее механизму разрушения стали в условиях воздействия нефтепродуктов, ответственным за разупрочнение локальных объемов является водород и интегральной характеристикой охрупчивания и разупрочнения стали является величина положительного отклонения термодинамической активности растворенного водорода от закона Рауля.

Рисунок 13 - Зависимость длины трещины от числа циклов нагружения стали 09Г2С (пульсирующее растяжение, _max = 350 МПа)

1 - воздух;

2 - мазут;

3 - морская вода;

4 - начальная трещина 5 мм

Для ориентировочной оценки состояния металла можно воспользоваться геометрическим подобием кривых повреждаемости и термодинамической активности. По кривой, характеризующей положительное отклонение от закона Рауля для растворенного водорода (по сути «живучести») можно судить о накоплении повреждений в сталях, контактирующих с нефтепродуктами. Для экспериментальной проверки сформулированных положений рассмотрен более универсальный способ построения кривой «живучести» путем исследования кинетики роста трещин стали 09Г2С (рис. 13). Учитывая, что соотношение глубины и длины трещины колеблется в пределах 0,5-0,7, можно принять критический размер трещины l_k =20 мм при толщине стенок резервуаров 10 мм, в этом случае трещина будет сквозной. По данным кривой роста трещины строят кривую в координатах N/N_k - l/l_k - кривую «живучести» (рис. 14).

Рисунок 14 - Диаграмма живучести стали 09Г2С:

1 - идеальная закономерность;

2 - отклонение от идеальности (мазут);

3- отклонение от идеальности (воздух)

На основании проведенных опытов можно считать, что сталь 09Г2С даже при максимально возможной частоте загрузки и разгрузки резервуаров (20-160 в год) может надежно работать в контакте с нефтепродуктами при сроке эксплуатации до 50 лет. Однако реальные металлы могут иметь трехмерные дефекты различного характера. Для стали 09Г2С с начальной трещиной 5 мм (кривая 4) срок службы сократится на 25 лет. Поэтому необходим мониторинг состояния резервуаров неразрушающими методами контроля с целью своевременного обнаружения дефектов и проведения восстановительных работ, одной из которых является предложенный способ восстановления сваркой с последующим плазменным нанесением защитного покрытия (рис. 15).



Рисунок 15 - Структура стали 09Г2С (а) и сварного шва с плазменным покрытием из основного металла (б)

Проведенный анализ показывает, что при достижении 80% базовой величины долговечности на воздухе длина трещины составит 30% от критической величины. При воздействии мазута такая же повреждаемость соответствует N/N_k = 0,72, т.е. ресурс работы резервуара снизится на 8%.

В пятой главе приведены инженерные приложения, обеспечивающие повышение надежности и безопасности соединительной арматуры, резервуаров и технологических трубопроводов, длительно контактирующей с нефтепродуктами, и оценка техногенного риска при эксплуатации оборудования морского терминала. Выполнен анализ существующих компенсационных систем с целью выяснения основных технологических и конструктивных дефектов, приводящих при длительной эксплуатации к развитию дефектности, образованию трещин и потере устойчивости. Основным недостатком применяемых сильфонных компенсаторов является их неспособность воспринимать большие осевые и угловые перемещения.

Предлагается конструкция шарового компенсатора (рис. 16), защищенная патентом РФ №2265769, обладающая рядом преимуществ по сравнению с сильфонными: простота монтажа, возможность компенсации больших линейных и угловых перемещений; возможность работать при высоких давлениях и температурах и при значительных частотах изменения компенсационных размеров; простота и надежность в процессе длительной эксплуатации.

Рисунок 16 - Шаровой компенсатор: 1,2,9,10 - внешние полусферы; 3,11 - прокладка; 4 - присоединительные патрубки; 5,7,14 - прямоугольные окна; 6,13 - внутренние сферы; 8,12,15 - соединительные патрубки; 16 - соединительные втулки; 17 - слой функционального материала

Главной потенциальной опасностью, фактором риска при эксплуатации резервуаров и технологических трубопроводов является возможность возникновения аварии с разливом нефтепродуктов, образованием взрывопожароопасных концентраций паров, а также образованием в опасном паровоздушном облаке источника зажигания. При анализе условий возникновения и развития аварий и для получения объективной оценки опасностей и риска рассмотрены наиболее характерные сценарии возможных аварий.

Расчет вероятности возникновения и развития аварийных ситуаций выполнен с использованием методов анализа деревьев отказов и событий. Расчет ущерба выполнен на основе требований РД 03-496-02. Произведена оценка риска с учетом обобщенной стоимости потерь и вероятности возникновения аварии (табл. 3).

Таблица 3

Вероятность возникновения наиболее крупных аварий

Наименование сценария аварийной ситуации	Вероятность возникновения аварии
	пожар	взрыв
Разлив нефтепродуктов вследствие полного (квазимгновенного) разрушения РВС 20000 с дизельным топливом	1,6х10-6 в год	-
Разлив нефтепродукта вследствие полного (квазимгновенного) разрушения РВС 10000 с бензином	1,6х10-6 в год	2,0х10-7
Разлив нефтепродукта вследствие полного (квазимгновенного) разрушения РВС 5000 с бензином	1,6х10-6 в год	2,0х10-7
Разлив нефтепродукта вследствие разрушения технологического трубопровода Ду= 500 мм	1,6х10-4 в год	2,0х10-5
Разлив нефтепродукта вследствие полного (квазимгновенного) разрушения РВС 400 с бензином	1,6х10-4 в год	2,0х10-7
Разлив нефтепродукта на нефтепирсе вследствие разрушения технологического трубопровода Ду= 500 мм	1,6х10-4 в год	2,0х10-3

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена модель структуры поврежденного материала, находящегося в контакте с нефтепродуктами, позволяющая оценить его повреждаемость, и введено понятие структурной активности, характеризующей способность материала образовывать или залечивать дефекты; показана аналогия между структурной и термодинамической активностью растворенного элемента в металле; экспериментальное исследование кинетики развития трещин подтверждает высказанные гипотезы и предположения.

2. Проведенный комплекс механических и микроструктурных исследований сталей, используемых в резервуаростроении, после различных сроков эксплуатации до 25 лет показал, что длительная эксплуатация резервуаров в условиях возможного деформационного старения не привела к существенному снижению механических свойств, что свидетельствует о возможности ее дальнейшей эксплуатации. Методом мультифрактальной параметризации, с построением фрактальных карт адаптации, установлена наиболее опасная область смены механизма деформирования стали, приводящая к снижению пластических свойств и увеличению вероятности хрупкого разрушения. Смене механизма деформирования соответствует резкое изменение параметра упорядоченности, которому соответствует снижение ударной вязкости, что согласуется с экспериментальными исследованиями, коррелирует с данными других авторов и подтверждает фундаментальный характер этого параметра.

Упругопластически-деструкционный анализ с определением коэффициентов деструкции и добротности материала позволяет повысить достоверность прогнозирования работоспособности конструкций, оценку качества материала, а также предотвратить возможные аварийные ситуации.

3. Проведенный анализ показал, что значительная часть отказов РВС приходится на первые три года эксплуатации, т.е. до первого планового диагностического обследования. В работе выполнен статистический анализ несовершенств формы РВС 10000 м³ и РВС 20000 м³, эксплуатирующихся до 5 лет и более в климатических условиях Черноморского побережья России.

В среде NASTRAN предложен электронный образ РВС с монтажными, эксплуатационными и технологическими дефектами, сварного соединения с различающимися геометрическими и механическими характеристиками. Проведенный анализ осадок основания предаварийного резервуара показал, что при осадке основания, значительно большего нормативных значений, возможно проведение восстановительных работ, гарантирующих удовлетворительную работоспособность. Численным моделированием определены напряжения в окрестности обнаруженного коррозионного дефекта. Выполнен расчет уровня надежности и величины экологического риска в зависимости от величины напряжений в области дефекта. Для оценки НДС резервуаров, длительно контактирующих с нефтепродуктами, с учетом воздействия климатических условий предложена методика, основанная на изменении объема нефтепродукта от факторов климатического характера.

4. Произведена оценка долговечности на стадии общей коррозии. Предложен экспериментальный способ определения долговечности и остаточного ресурса РВС на стадии распространения трещин, контролируемый анализом состояния образца металла, работающего в том же режиме малоциклового нагружения, что и стенки резервуара (ПМ № 49265);

Предложен способ повышения долговечности и надежности сварного соединения, контактирующего с нефтепродуктами, заключающийся в формировании сварного шва с одновременным нанесением плазменного покрытия из основного металла для выравнивания химических потенциалов.

5. В целях повышения надежности и безопасности компенсационных систем предложена патентно-чистая конструкция универсального компенсатора шарового типа, обладающая рядом преимуществ.

6. Выполнен анализ возможных потерь от разрушений резервуаров и технологических трубопроводов. Определены возможные зоны поражения с учетом всего спектра поражающих факторов. Произведена оценка риска с учетом обобщенной стоимости потерь и вероятности возникновения аварии.

7. Результаты исследований использованы при разработке проектов нормативных документов. Результаты работы внедрены в ОАО «Роснефть-Туапсенефтепродукт» и ЗАО «Второе краснодарское монтажное управление специализированное» а также в учебный процесс КубГТУ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Вотинов А.В., Поправка Д.Л., Бабенко Н.Ф. Функциональная зависимость между уровнем надежности резервуарных и трубопроводных конструкций и коэффициентом запаса // Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов: Труды IV Межд. науч.-техн. конф. - Ульяновск, 2001 - С. 51-53.

2. Вотинов А.В., Поправка Д.Л., Бабенко Н.Ф. Анализ технического состояния сварных резервуаров и трубопроводов, длительно работающих с компонентами нефтепродуктов. // Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов: Труды IV Межд. науч.-техн. конф. - Ульяновск, 2001 - С. 49-50.

3. Поправка Д.Л., Вотинов А.В., Тетюцкий Е.Ю. Статистический анализ причин аварийности, возникающих отказов и дефектов резервуаров, длительно работающих с нефтепродуктами // Современные материалы и технологии: Материалы Межд. науч. техн. конф. - Пенза, 2002 - С. 233-236.

4. Вотинов А.В., Клокова Н.П., Поправка Д.Л. Методика определения расчетного уровня надежности резервуаров и трубопроводов для нефтепродуктов // Науч. журн. Труды КубГТУ, Т.ХХ, серия «Механика и машиностроение» - Краснодар, 2004-С. 157-164

5. Вотинов А.В., Поправка Д.Л., Иосифов В.В. Разработка методов оценки состояния металлов сварных конструкций, длительно работающих с нефтепродуктами // Тр. науч.- практ. конф. «Экология, экономика, техника и образование». - Туапсе, 2002. - С.38-44.

6. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В. Экспертная оценка деградации структуры стали, контактирующей с нефтепродуктами. // Пленарные доклады III Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин. Якутск, 2006.-С. 123-131.

7. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В., Чаевский М.И. Коррозия оборудования морского терминала, длительно работающего с нефтепродуктами // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы 5-й Международной науч.-техн. конф. - Киев, 2005 - С. 35-38.

8. Вотинов А.В., Бледнова Ж.М. Экспериментальная оценка свойств основного металла и сварных соединений резервуаров и технологических трубопроводов, длительно работающих с нефтепродуктами // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: Труды VI Межд. конф. - Санкт-Петербург, 2005 - С.139-146.

9. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В., Чаевский М.И., Стрелевский Д.А. Пути повышения надежности компенсационных систем технологических трубопроводов // Нефтегазовое дело, 2005

10. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В., Стрелевский Д.А., Чаевский М.И. Пути повышения надежности компенсационных систем технологических трубопроводов // Неразрушающий контроль и диагностика: Материалы XVII Российской науч.-техн. конф. - Екатеринбург, 2005,- С. 341.

11. Вотинов А.В. Бледнова Ж.М. Оценка техногенного риска при эксплуатации оборудования морского терминала, длительно контактирующего с нефтепродуктами // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2006. №1. С. 71-80.

12. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В., Чаевский М.И. Способ оценки остаточного ресурса резервуаров для хранения нефтепродуктов. Тез докл. II Межд. Школы «Физическое материаловедение». Тольятти, 2006.- С. 160-161.

13. Бледнова Ж.М., Вотинов А.В., Стрелевский Д.А., Чаевский М.И. Пути повышения долговечности сильфонных и шаровых компенсаторов перемещений // Материалы II Межд. науч.-техн. конференция «Надежность и ремонт машин». Орел, 2005.- С. 222-227.

14. Бледнова Ж.М. Вотинов А.В. Оценка параметров безопасности резервуаров для хранения нефтепродуктов при наличии дефектов // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2006. - №3. С. 31-38.

Патенты

1. Патент №2265769 Компенсатор трубопроводов. Авторы: Ж.М. Бледнова, М.И. Чаевский, А.В. Вотинов, Д.А. Стрелевский. Приоритет от 09.04.05.

2. Патент ПМ № 49265 Установка для испытания на коррозионное растрескивание. Авторы: А.В. Вотинов, Ж.М. Бледнова, М.И. Чаевский, Д.А. Стрелевский. Приоритет от 07.07.2005.

3. Положительное решение по заявке на патент №2005117332. Способ соединения деталей. Авторы: Ж.М. Бледнова, М.И. Чаевский, А.В. Вотинов, Д.А. Стрелевский. Приоритет от 06.06.2005.

Размещено на Allbest.ru