Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Главная страница


Оценка структурных параметров сталей и ресурсных характеристик резервуаров для хранения нефтепродуктов в условиях длительной эксплуатации 05. 02. 01 Материаловедение




Скачать 348.51 Kb.
Дата03.07.2017
Размер348.51 Kb.
ТипАвтореферат


На правах рукописи

ВОТИНОВ Андрей Валерьевич

ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТАЛЕЙ И

РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.02.01 – Материаловедение (в машиностроении)




АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар - 2006

Р


б)

РВС 20000 м3

менее 5 лет
абота выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бледнова Жесфина Михайловна


б)

РВС 20000 м3

менее 5 лет

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

Защита состоится 21 декабря 2006 г. в 14 часов в аудитории К 128 на заседании диссертационного совета Д 212.100.02 Кубанского государственного технологического университета (350020, г. Краснодар, ул. Красная 135)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат разослан « 17 ноября » 2006 г.

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.

Краткое 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.


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

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 1,1÷1,34. Испытания показали, что характеристики прочности имеют небольшие отклонения от нормативных значений, но наблюдается значительное снижение характеристик пластичности (рис. 2).




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,

ных зон сварного соединения в процессе эксплуатации стали 09Г2С, показали, что наиболее интенсивные деградационные процессы происходят в зоне термического влияния (ЗТВ): σТ повышается на 12-13 % после 20 лет эксплуатации; характеристики пластичности снижаются (δ 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.




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.

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.




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

Для оценки структурных параметров стали и остаточного ресурса резервуаров образцы могут подвергаться периодичес-кому визуальному, металлграфическому, электронно-фрактографическому, дюро-метрическому, рентгеноструктурному и мультифрактальному анализу. Проведенный анализ известных методик показал, что для количественной оценки деградации структуры можно рекомендовать разработанной Л. М. Рыбаковой упругопластически-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.


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.


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 μ=0,3). Проведенный анализ показал, что максимальный условный коэффициент влияния несовершенств составляет 1,27 (рис.10).



Рисунок 10 - Линии равного уровня коэффициента влияния несовершенств




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
Предложена методика оценки НДС резервуаров от факторов климатического характера, основанная на изменении объема нефтепродукта (табл.2). 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 -π/2≤ 0≤ π/2 и равной нулю на остальной части оболочки. Здесь, Т0 - амплитуда температуры,  - угловая координата. Эта функция изменения температуры стенки апроксимировалась

Таблица 2

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




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


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.



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).

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 mY2=250 МПа до mY2=450 МПа, а σв стали составило mY1=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).

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/lk пропорциональна относительному числу циклов переменных напряжений N/Nk или времени действия постоянного напряжения. Способность раствора (сплава) выделять при действующем напряжении избыточное количество вакантных мест назовем структурной активностью аст= l/lk =.

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 lk =20 мм при толщине стенок резервуаров 10 мм, в этом случае трещина будет сквозной. По данным кривой роста трещины строя


Рисунок 14 - Диаграмма живучести стали 09Г2С:

1- идеальная закономерность;

2 – отклонение от идеальности (мазут);

3- отклонение от идеальности (воздух).




т кривую в координатах N/Nkl/lkкривую «живучести» (рис.14).

8


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/Nk = 0,72, т.е. ресурс работы резервуара снизится на 8%.

ресурс работы резервуара снизится на 8%.




%. 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)



б)

РВС 20000 м3

менее 5 лет


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. http://www.ogbus.ru

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.

Подписано в печать ______________ Зак. № ______ Тираж _____

Лиц. ПД № 10-47020 от 11.09.2000

Типография КубГТУ, 350058, Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4




  • ЭКСПЛУАТАЦИИ
  • ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.
  • Основанием для выполнения работы послужили
  • Основные задачи исследования
  • Методология и методы исследования
  • Практическая значимость и реализация результатов работы
  • Реализация результатов работы
  • Основные положения, выносимые на защиту
  • 2265769) . Достоверность полученных результатов
  • Апробация работы .
  • Основное содержание диссертационной работы опубликовано
  • Структура и объем диссертации.
  • Краткое содержание работы Введение.
  • Основные результаты и выводы
  • Патенты
  • Патент ПМ № 49265
  • Положительное решение по заявке на патент № 2005117332 .