Предельные состояния, прочность и ресурс сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 7
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ И
ПРОЧНОСТИ СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ........................ 17
1.1. Конструктивные формы, материалы и технологии изготовления сосудов и трубопроводов.................................. 18
1.1.1. Технологическое оборудование газонефтехимических производств.............................................. 18
1.1.2. Уникальные конструкции для хранения особо опасных продуктов газопереработки................................ 21
1.1.3. Резервуары хранения жидких углеводородов.......... 23
1.1.4. Магистральные трубопроводы........................ 24
1.2. Условия эксплуатационного нагружения объектов трубопроводного транспорта и переработки углеводородов............... 29
1.2.1. Анализ условий работы магистральных трубопроводов
в эксплуатации..................................... 29
1.2.2. Анализ нагруженности нефтепровода «Шаим-Тюмень» после нормативного срока эксплуатации.................... 41
1.2.3. Нагруженность аппаратов колонного типа и емкостей объектов переработки нефтяного газа...................... 46
1.2.4. Анализ нагруженности цилиндрических и шаровых резервуаров ............................................... 49
1.3. Процессы повреждения и разрушения сосудов и трубопроводов ......................................................... 53
1.3.1. Анализ статистики отказов трубопроводов........... 53
3
Глава 2. НОРМАТИВНАЯ БАЗА ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПРОЧНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ ........................................................ 59
2.1. Предельные состояния и статическая прочность сосудов, резервуаров и трубопроводов...................................... 59
2.1.1. Научно-технические основы защиты от тяжелых аварий и катастроф............................................ 59
2.1.2. Методы расчета на прочность магистральных трубопроводов ............................................... 61
2.2. Предельные состояния резервуаров и трубопроводов......... 68
2.3. Нормативные и уточненные расчеты на прочность резервуаров 70
2.4. Нормативные и уточненные расчеты на прочность магистральных трубопроводов.............................................. 74
2.5. Определение и нормирование ресурса резервуаров и трубопроводов ......................................................... 75
2.6. Нормативная база для оценки последствий аварий на объектах хранения и переработки углеводородов........................... 77
2.7. Формулировка требований по живучести и безопасности 79
Глава 3. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ 82
3.1. Характеристика технологических факторов разрушений, аварий и катастроф................................................ 82
3.1.1. Особенности предельных состояний и разрушения магистральных трубопроводов при нештатных ситуациях 82
3.1.2. Анализ отказов сосудов и аппаратов................. 99
3.1.3. Хрупкое разрушение сосуда........................ 103
3.2. Методы и средства контроля и дефектоскопии.............. 106
3.2.1. Контроль состояния шаровых резервуаров........... 107
3.2.2. Внутритрубная диагностика магистральных трубопроводов .................................................... 113
4
3.3. Анализ первичных и вторичных повреждающих факторов при
аварийной ситуации...................................... 114
3.3.1. Особенности возникновения и развития аварий на технологических трубопроводах................................. 114
3.3.1.1. Учет влияния условий нагруженности в процессе эксплуатации................................... 114
3.3.1.2. Внешние характеристики аварии.............. 118
3.3.1.3. Характеристики механических свойств материала ............................................ 124
3.3.1.4. Фрактографический анализ методом растровой электронной микроскопии.......................... 131
3.3.1.5. Фрактографический анализ методом экстракционных угольных реплик.............................. 142
3.3.1.6. Микроструктурные исследования зон разрушения ............................................... 146
3.3.2. Анализ повреждений опор сферических резервуаров .. 152
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ 155
4.1. Анализ характеристик и параметров эксплуатационных локальных повреждений........................................... 155
4.2. Исследование состояния металла и местные деформации в местах локальных повреждений.................................. 173
4.3. Исследование остаточных напряжений в зонах локальных повреждений........................................... 185
4.4. Аварийные ситуации потенциально опасных объектах газо-
нефтехимии и методы их парирования........................ 189
4.4.1. Анализ возможных аварийных ситуаций................ 189
5
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ С УЧЕТОМ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ............................................................ 204
5.1. Исследования характеристик повреждений и разрушений в штатных и аварийных ситуациях................................. 204
5.1.1. Экспериментальные исследования сопротивления деформациям и разрушению................................... 204
5.1.2. Характеристики сопротивления деформациям и номинальные разрушающие напряжения при различной степени эксплуатационного повреждения....................... 207
5.1.3. Расчетный анализ предельных и напряженно-деформированных состояний трубопровода в аварийной ситуации................................................... 215
5.1.3.1. Напряженно-деформированное состояние аварийного участка трубопровода перед аварией ............................................. 215
5.2. Исследования циклической долговечности элементов трубопроводов с локальными повреждениями........................... 223
5.2.1. Методические основы проведения экспериментов 223
5.2.2. Исследование циклической прочности на образцах .... 230
5.2.3. Исследование долговечности элементов натурных трубопроводов .............................................. 232
5.2.4. Расчетная оценка циклической долговечности......... 238
5.2.5. Экспериментальное исследование характеристик малоцикловой усталости сталей длительно работающих труб..................................................... 243
5.2.6. Оценка критических размеров трещин................. 249
Глава 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТНО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ........................................ 251
6
6.1. Предложения по расчетно-экспериментальному анализу прочности и ресурса в штатных и аварийных ситуациях............. 251
6.1.1. Выбор типов предельных состояний.......... 251
6.1.2. Выбор расчетных схем и расчетных случаев.. 254
6.1.3. Выбор расчетных характеристик и расчетных сопротивлений 255
6.1.4. Выбор методов анализа напряженно-деформированных состояний ............................................ 256
6.1.5. Выбор методов диагностики технического состояния сосудов и трубопроводов................................. 257
6.1.6. Назначение запасов по прочности и по долговечности 257
6.1.7. Оценка вероятностей достижения предельных состояний .................................................... 258
6.2. Новые конструктивные решения по предотвращению локальных повреждений сосудов и трубопроводов..................... 258
6.3. Научно-методические рекомендации по анализу предельных состояний прочности и ресурса сосудов и трубопроводов... 265
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.............................................. 271
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................... 278
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты внедрения
7
ВВЕДЕНИЕ
1. Актуальность проблемы. Длительный отечественный и зарубежный опыт проектирования, изготовления и эксплуатации инженерных конструкций и сооружений позволяет обеспечивать их прочность и ресурс при соблюдении основных нормативных требований и запасов в условиях штатных (нормальных) режимов работы. Возникающие нештатные и аварийные ситуации на потенциально опасных объектах газонефтехимии и трубопроводного транспорта, сопровождаются взрывами, пожарами, загрязнениями больших площадей и объемов грунтов, рек, водоемов и воздушной среды, и как следствие сопутствующими им вторичными взрывами и разрушениями. Риски тяжелых аварий непрерывно увеличиваются по мере повышения рабочих параметров и концентрации объектов переработки, трубопроводных систем. Для России в настоящее время вероятность возникновения тяжелых аварий и катастроф непрерывно возрастает в связи с исчерпанием ресурса объектов нефтяной, газовой, нефтехимической промышленностей и трубопроводного транспорта. Ущербы, наносимые тяжелыми авариями и катастрофами, становятся сопоставимыми (а во многих случаях - многократно превышают) со стоимостью вновь создаваемых сложных технических систем.
Системы транспорта и переработки нефти и газа включающие в себя промысловые и магистральные нефтегазопродуктопроводы, химические, нефтехимические, нефте- и газоперерабатывающие заводы с большим числом высоконагруженных сосудов (колонн, сепараторов, адсорберов), соединенных технологическими трубопроводами и работающих при криогенных и высоких температурах; представляют собой высоко рисковые объекты.
Разрушение сосудов и трубопроводов происходит преимущественно по причинам, связанным с неполным знанием спектра эксплуатационных нагрузок, изменения физико-механических свойств металла, механизма
8
возникновения и развития различного рода дефектов, нарушением технологий на стадии изготовления, эксплуатации и ремонта несущих элементов потенциально опасных объектов.
Возникновение крупных аварий и катастроф обусловлено образованием и развитием опасных дефектов, сопровождаемых большими упругими и пластическими деформациями, остаточными напряжениями, способными разрушить конструкцию, привести физико-механические свойства материалов в состояния, снижающие запасы по долговечности при статических и циклических нагрузках в десятки и тысячи раз, при этом запасы по номинальным напряжениям остаются достаточными для обеспечения прочности и соответствуют нормативным.
Обладая эффективными расчетно-экспериментальными методами оценки, которые учитывают наиболее значимые критерии и факторы экстремальной нагруженности и повреждаемости несущих элементов и конструкций возможен безопасный, экономически выгодный контроль и предупреждение крупных аварий на сосудах и трубопроводах высокорисковых объектов энергетики, газонефтехимических комплексов, транспорта и переработки углеводородов.
В связи с этим, в дополнение к принятым нормативным методам анализа предельных состояний должны быть введены новые виды предельных состояний, которые могут возникать при работе нефтегазохимического оборудования северного исполнения с учетом нештатных особенностей эксплуатации, строительства и монтажа. В первую очередь, эти дополнительные виды предельных состояний относятся к тем аварийным ситуациям, в которых наблюдаются существенные снижения несущей способности и ресурса.
Постановке и решению этой актуальной проблемы посвящено основное содержание данной работы.
Основанием для ее выполнения послужили:
• Программа ГКНТ и АН СССР. 0.04.06. Н9. 1984-86 гг. «Создать и освоить технологические процессы и технические средства, обеспечивающие
9
повышение качества строительства и надежности эксплуатации, магистральных газо- и нефтепроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями».
• Государственная научно-техническая программа ГКНТ СССР, Минпромнауки России, АН СССР, РАН. «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», 1991-2001 гг. (Научные направления «Новые методы повышения безопасности технических систем», «Научные основы нормирования безопасности технических систем для штатных и нештатных ситуаций с учетом несанкционированных воздействий»).
• Программа РАН, Минтопэнерго, МЧС России о первоочередных мерах по разработке методов, средств и систем предотвращения катастрофических разрушений трубопроводов «Защита трубопроводных систем от тяжелых аварий и катастроф», 1997г.
• Федеральная научно-техническая программа «Высоконадежный трубопроводный транспорт», 1994 - 2001 гг.
• Федеральная инвестиционная научно-техническая программа «Техника российского Севера», 1992 - 1995 гг.
• Российско-американский проект «Партнерство АБМЕ-РАН», 1994 - 1996 гг.
2. Целью диссертационной работы является установление базовых закономерностей возникновения новых предельных состояний в сосудах и трубопроводах с ненормированными повреждениями в штатных и аварийных ситуациях, получение расчетных зависимостей и их определяющих параметров для оценки несущей способности и долговечности.
3. Основные задачи исследований:
- установить закономерности возникновения предельных состояний в сосудах и трубопроводах с ненормированными повреждениями в штатных и аварийных ситуациях;
10
- получить закономерности воздействия комбинированных термомеханических нагружений с определением максимальных и амплитудных значений напряжений и температур;
- разработать методы и средства экспериментального моделирования и определения экстремальных параметров локального деформирования и механических свойств материала при штатных и аварийных ситуациях;
- получить характер распределения экстремальных остаточных напряжений при образовании и развитии ненормированных повреждений;
- исследовать факторы экстремальной повреждаемости сосудов и трубопроводов при статическом и циклическом нагружении;
- провести анализ послеаварийного моделирования статических и динамических процессов деформирования и разрушения технологических трубопроводов и сосудов в штатных и аварийных ситуациях;
- провести анализ развития и воздействия вторичных факторов аварий на потенциально опасных объектах;
- разработать методику оценки остаточного ресурса и прочности сосудов с трубопроводов при штатных и экстремальных повреждениях;
- сформулировать закономерности предельных состояний и разработать рекомендации по определению прочности и ресурса сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях;
- разработать новые конструктивные решения повышения прочности, долговечности и безопасности сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
4. Научная новизна работы заключается в установлении механических закономерностей деформирования и разрушения сосудов и трубопроводов при сложных комбинированных условиях статического и циклического термомеханического нагружения, при образовании и развитии малых и больших статических и динамических упругопластических деформаций, при наличии исходных технологических или развивающихся эксплуатационных общих и локальных повреждений и трещин.
11
1. Установлены закономерности и получены уравнения статического и циклического деформирования и разрушения сосудов и трубопроводов при общих и локальных ненормированных деформациях и повреждениях в штатных и аварийных ситуациях.
2. Установлены закономерности воздействия сложных комбинированных термомеханических нагружений и определены максимальные и амплитудные значения напряжений и температур, что позволяет оценивать состояние сосудов и трубопроводов с экстремальными повреждениями.
3. Получены закономерности распределения экстремальных остаточных напряжений при образовании и развитии ненормированных повреждений.
4. Разработаны методы и средства экспериментального моделирования и определения экстремальных параметров локального деформирования и оценки механических свойств материала при штатных и аварийных ситуациях.
5. Получены данные послеаварийного моделирования статических и динамических процессов деформирования и разрушения в штатных и аварийных ситуациях технологических трубопроводов и сосудов, позволяющих оценивать их экстремальное состояние.
6. Получены данные воздействия вторичных факторов аварий, позволяющие оценивать состояние и риск потенциально опасных объектов.
7. Разработана методика расчета остаточного ресурса и прочности сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
8. Сформулированы закономерности предельных состояний и разработаны эффективные расчетно-экспериментальные методы, которые учитывают наиболее значимые критерии и факторы экстремальной нагружен-ности и повреждаемости сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
9. Разработаны рекомендации и конструктивные решения по определению и повышению прочности, долговечности и безопасности сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
12
5. На защиту выносятся результаты теоретических и расчетноэкспериментальных исследований, полученные на их основе рекомендации по снижению рисков тяжелых аварий и катастроф, обоснования исходного, остаточного и продленного ресурса сложных технических потенциально опасных систем в условиях экстремальной нагруженности, повреждаемости в штатных и аварийных ситуациях.
6. Практическая ценность работы заключается в установлении комплекса коэффициентов обеспечивающих прочность, ресурс и долговечность сосудов и трубопроводов до уровней, характерных для штатных и аварийных ситуаций.
Получена исходная информация по новым явлениям и эффектам повреждений, на базе которых можно формировать проекты изменений и дополнений к СНиП.
Выполненные расчетно-экспериментальные исследования позволяют на стадии проектирования, изготовления, эксплуатации и реконструкции объектов назначать оптимальные конструкционные, прочностные и эксплуатационные характеристики, соответствующие определенному уровню безопасности.
Получены экспериментальные количественные характеристики по оценке несущей способности сосудов и трубопроводов при запредельных условиях нагружения от первичных и вторичных повреждающих факторов, изменений конструктивных форм при штатных и нештатных ситуациях и наличии критических дефектов.
Разработаны методы и средства имитации реальных запредельных повреждений, позволяющие дать раздельную и комбинированную оценку влияния местных напряжений, деформаций, макрогеометрии дефектов, температур, цикличности и неодноосности напряженного состояния.
Предложена методика разработки программ диагностирования, определения технического состояния и прогнозирования безопасного ресурса
13
объектов, отработавших проектный ресурс, бывших в аварии и ремонтируемых.
Развит метод оценки напряженно-деформированного состояния для определения прочности и ресурса сложных элементов объектов добычи, транспортирования и переработки углеводородов, основанный на использовании хрупких тензочувствительных покрытий.
Полученные результаты использованы при разработке следующих нормативно-технических документов:
1. РД 09-102-95 Методические указания но определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России. - М.: Госгортехнадзор России, 1995.
2. МР. Метод хрупких покрытий для определения деформаций в элементах нефтегазохимических агрегатов и производств. - М.: Госгортехнадзор России, 2001.
3. РД (проект). Диагностика и обоснование замены участков технологических трубопроводов газонефтеперерабатывающих заводов. - Москва - Тюмень - Нижневартовск: НТЦ НГП, 2001.
Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, внедрены в Сибирско-Уральской нефтегазохимической компании «Сибур-Тюмень», в Комплексном специализированном управлении «Сибнефтепро-водстрой», в Центре по созданию безопасных технологий, машин и сложных технических систем «Центр БСТС».
7. Материалы, положенные в основу диссертации:
• акты расследования аварий и катастроф на объектах нефтехимической и газовой промышленности - магистральном и технологическом трубопроводном транспорте, оболочковых конструкциях сложных технических систем;
• результаты экспериментальных и натурных исследований процессов за-критического деформирования и разрушения сосудов и трубопроводов;
14
• диагностирование традиционными и новыми методами действующих потенциально опасных объектов, натурных объектов и лабораторных моделей;
• научные труды автора, опубликованные при работе над диссертацией за период 1979-2001 гг.;
• публикации других авторов, послужившие основой для анализа и обобщения существующего состояния проблемы и создания методологического подхода к ее решению.
8. Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием современных критериев нелинейной механики разрушения, методов диагностики, приборной базы, а также соответствием полученных результатов известным теоретическим и экспериментальным данным.
9. Личный вклад автора заключается в постановке данного исследования; разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; создании методов моделирования и диагностирования ненормированных дефектов; создании расчетных моделей, методов и информационной базы по нагруженности и повреждаемости широкого класса сосудов и трубопроводов; выполнении основных оценок напряженно-деформированного состояния при запредельных дефектах и запроектных условиях нагружения.
Диссертационная работа выполнена в Институте машиноведения им.
A.A. Благонравова РАН и Научно-технологическом центре нефтегазопро-мышленников.
Часть расчетных результатов по оценке прочности сложных технических оболочковых систем получена при участии сотрудников ИМАШ РАН, которым автор выражает глубокую благодарность. Особую признательность автор выражает научному консультанту члену-корреспонденту РАН Н.А.Махутову за ценные советы и внимание к данной работе. Автор
15
благодарит также профессора Б.Е. Гельфанда (ИХФ РАН), к.т.н. Е.Л.Муравина (ЦКБН) за ценную помощь при разработке ряда специальных вопросов (анализа взрывопожароопасных сценариев и напряженно-деформированных состояний в аварийных ситуациях).
10. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: республиканской межвузовской конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (Тюмень, 1979 г.); 4-ой республиканской научно-технической конференции "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов по трубопроводам" (Уфа, 1980г.); 1-ой республиканской научно-технической конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса" (Уфа, 1982 г.); Научно-технической конференции "Применение методов механики разрушения в расчетах строительных металлических конструкций на хрупкую прочность и долговечность" (Красноярск, 1984 г.); 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1989 г.); Всесоюзной научно-практической конференции "Прогресс и безопасность" (Тюмень, 1990 г.); 2-ом Международном конгрессе "Контроль качества трубопроводов" (Москва, 1991 г.); Научно-практической конференции "Безопасность применения оборудования потенциально опасных производств" (Москва, 1996г.); Международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень,
1996 г.); Международном конгрессе "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего" (Тюмень, 1996 г.); 2-ой Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере" (Тюмень, 1997 г.); 2-ой и 3-ей Международных конференциях "Безопасность трубопроводов" (Москва,
1997 г., 1999 г.); Всероссийской конференции "Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций" (Красноярск, 1997 г.); 1-ой научно-практической конференции "Природные, промышленные и интеллектуальные ресурсы Тюменской области" (Тюмень, 1997 г.); 5-ой Всероссийской
16
научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции" (Красноярск, 1999 г.); 15-ой Всероссийской конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Москва, 1999 г.); Международной конференции "Математические модели и методы их исследования (задачи механики сплошной среды, экологии, технологических процессов, экономики)" (Красноярск, 1999г.); Всероссийской научной конференции "Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабасейна" (Тюмень, 2000 г.); 3-ей Международной конференции “Диагностика трубопо-водов” (Москва, 2001 г.); научных мероприятиях «Природно-техногенная безопасность Сибири» (Красноярск, 2001 г.).
11. Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 42 статьях и тезисах, а также в 44 научно-технических отчетах по исследовательским работам, выполненным в рамках целевых программ и по заказам организаций.
12. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и приложений. Основное содержание изложено на 303 страницах машинописного текста и содержит 182 рисунка, 35 таблиц. Список источников включает 280 наименований.
17
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ И ПРОЧНОСТИ СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ
Фундаментальным вопросам надежности, прочности и трещиностой-кости материалов и элементов конструкций (в том числе, сосудов давления и трубопроводов), посвящены работы А.Е. Андрейкива, М.П. Анучкина,
O.A. Бакши, Л.Л. Березина, П.П. Бородавкина, В.Г. Галеркина, А.Н. Гузя,
A.П. Гусенкова, А.Р. Даффи, М. Каннинена, Г.П. Карзова, Л.М. Качанова,
B.Л. Колмогорова, Л.А. Копельмана, А.Я. Красовского, С.А. Куркина,
H.A. Махутова, Н.П. Мельникова, Е.М. Морозова, В.З. Партона, Б.Е. Па-тона, С.В. Серенсена, С.П. Тимошенко, В.И. Труфякова, В.В. Харионов-ского, В.Ф. Чабуркина, Е. Фолиаса, Г.С. Шапиро, Ф. Эрдогана, С.Я. Яре-мы и др [81, 82, 84, 100, 109, 113-116, 147 156, 170, 173,, 171, 235, 236]. Роль основных и дополнительных деформации, остаточных напряжений рассматривалась в работах Э.Л. Аксельрада, Л. Бескина, П.П. Бородавкина, И. Вигнеса, Л.Я. Григорьева, О.М. Иванцова, В.П. Ильина, Т. Кармана,
А.Г. Камерштейна, Р. Кларка, Д.Л. Костовецкого, X. Лоренца, Е. Рейссне-ра, А.М. Синюкова, К.Ф. Черных, X. Юргенсона [68-70, 79, 83, 87, 208, 230, 260, 271,272].
В разработку и развитие экспериментальных, аналитических и численных методов оценки прочности и трещиностойкости стальных труб, оболочек существенный вклад внесли Г.С. Васильченко, В.А. Винокуров, Л.В. Енджиевский, А.Я. Красовский, В.М. Маркочев, H.A. Махутов, Е.М. Морозов, Б.Е. Патон и др.
Прикладные задачи расчетов на прочность и трещиностойкость сосудов и трубопроводов рассматривались в работах М.П. Анучкина, A.C. Болотова, А.Г. Гумерова, В.Р. Кузьмина, С.А. Куркина, В.В. Ларионова, В.П. Ларионова, В.В. Москвичева, и др. [29, 35, 36,45, 64, 142,143,161,228].
Результаты указанных выше исследований были использованы при решении научных и прикладных проблем анализа предельных состояний сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
18
1.1. Конструктивные формы, материалы и технологии изготовления
сосудов и трубопроводов
7.7.7. Технологическое оборудование газонефтехимических производств
В соответствии с целями и задачами настоящих исследований ниже рассмотрены особенности конструкций, технологий, условий эксплуатации, повреждений и разрушений типовых объектов нефтегазохимии [4, 13, 14, 80,94, 106, 112, 145, 164, 197, 198,253].
Работа технологического оборудования газонефтехимических производств характеризуется широким диапазоном воздействия внутреннего давления (от глубокого разряжения до 2,0 МПа), криогенных и высоких (>1000°С) температур и времени эксплуатации до 20-^40 лет [174,175, 186].
Особые требования предъявляются к термоциклической прочности и коррозионной стойкости основного материала конструкций и сварных соединений колонн, испарителей, теплообменников, фильтров, адсорберов (рис. 1.1 -1.5).
В конструкции адсорбера смешанный газ высокого давления из сепаратора высокого давления пропускается через адсорберы с молекулярным ситом (рис. 1.6), где проводится обезвоживание до точки росы -101°С. Одновременно удаляется РЬЭ до 1 ррм по объему.
Рис. 1.1. Схема расположения сварных швов колонны
Рис. 1.2. Фильтр
Рис. 1.3. Блочный испаритель
Рис. 1.4. Испаритель
/ “ \1Т1 >е
% 1 ^ >
\ )\
¥ \ - 6370 ^ 7005
Рис. 1.5. Теплообменник
Система осушки и обессеривания состоит из шести адсорберов. В любое время четыре адсорбера находятся на стадии адсорбции, пятый - в стадии десорбции, шестой - в стадии охлаждения. Продолжительность стадии адсорбции составляет 4 часа, а стадия десорбции и охлаждения - 1 час каждая.
20
Схема изменения давления и температуры при рабочем режиме
го
Время, час
а)
Схема изменения давления и температуры при
о
о
СО
о.
го
а
<и
с
,0>
Рис. 1.6. Эскиз адсорбера
Рис. 1.7. Характер изменения эксплуатационных параметров (давление, температура) в рабочем режиме (а) и при гидроиспытаниях (б)
Время выдержки, мин.
б)
Для десорбции используется часть сухого газа, являющегося одним из целевых продуктов завода. Регенерационный газ (газ для десорбции) сперва пропускается через один из адсорберов в целях его охлаждения (после десорбции), затем направляется в нагреватель газа для регенерации адсорбента, где он нагревается до +330°С (рис. 1.7).
21
Большая часть горячего регенерационного газа направляется в постоянном расходе в адсорбер, переведенный в стадию десорбции, а остальная часть направляется также в постоянном расходе в дегидратор жидкого потока. При завершении стадии десорбции температура слоев адсорбента доходит до +290°С и почти вся влага и НгБ окажутся отогнанными из адсорбента. С завершением стадии десорбции адсорбер переводится в стадию охлаждения. Как сказано выше, охлаждение осуществляется холодным сухим газом в течение часа, а газ, выходящий из адсорбера, направляется в колонну. Адсорбер, прошедший стадию охлаждения, можно перевести в стадию адсорбции.
1.1.2. Уникальные конструкции для хранения особо опасных продуктов газопереработки
Особый класс потенциально опасных объектов составляют крупногабаритные резервуары. Изотермический вертикальный цилиндрический резервуар типа Т-1001 емкостью 50000 м3, используется для хранения ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов). Резервуар сдан в эксплуатацию в 1982 г. с гарантией на 8 лет.
Стальной вертикальный цилиндрический резервуар диаметром до 52 м и высотой до 35 м изготовлен методом полистовой сборки на монтаже. Железобетонная монолитная фундаментная плита имеет сварное основание. Общий вид резервуара показан на рис. 1.8а - 1.8в.
Резервуар имеет теплоизоляцию под днищем, на корпусе (стенке) и крыше. Первоначально теплоизоляция на корпусе и крыше была покрыта гофрированным листом из алюминиевого сплава. Крепление гофрированного листа оказалось недостаточно надежным и после того, как часть листов была сорвана ветром, весь гофрированный лист был снят и на листовой теплоизолятор был нанесен слой рипора (утеплитель типа пенополиуретана) и покрашен серебрянкой.
22
Люк-лаз Западный
место
вскрытия
крепления
анкера
Люк-лаз Восточный
Рис. 1.8. а. Изотермиче ский резервуар Т-1001
Рис. 1.8.6. Изотермический резервуар. План
Рис. 1.8.в. Фрагмент вертикальной стенки диагностируемого изотермического резервуара
23
1.1.3. Резервуары хранения жидких углеводородов
Шаровые резервуары предназначены для хранения легковоспламеняющихся жидкостей, ШФЛУ, изопентана, гексана и др. (рис. 1.9). Газоперерабатывающие заводы имеют большой парк резервуаров объемом 600 -2000 м3, находящихся в эксплуатации до 25 лет и более [178,188].
1 2
Рис. 1.9. Схема шарового резервуара V = 2000 м3. 1 - площадка обслуживания; 2- оболочка; 3 - опорная стойка; 4 - растяжка; 5 - кольцевой ленточный фундамент
Для хранения нефтепродуктов в системе магистрального транспорта, нефтебаз широкое применение нашли вертикальные цилиндрические резервуары вместимостью до 10000 м3 (рис. 1.10 а - г) [15, 92, 93, 95, 202, 213, 214,216, 280].
В Тюменской области резервуары сооружаются на песчаном основании и эксплуатируются без утепления при естественных климатических температурах -30<Г<50°С, с сезонным оттаиванием - замерзанием грунтов.
Как правило резервуары данного класса имеют большое количество хлопунов на днище, вмятин на вертикальной стенке и значительное отклонение от вертикали.
24
заводские швы
2-2
Ш/У/Ы’
б)
Рис. 1.10. Монтажные сварные швы РВС-5000. Маркировка поясов и листов
1.1.4. Магистральные трубопроводы
Газо- и нефтепроводные системы более чем на 90% состоят из труб диаметром от 50 до 1420 мм, которые, в свою очередь, более чем на 90 % состоят из катанного металла и на 10 % из сварных соединений [26, 27, 63, 67,71, 195].
По виду шва трубы подразделяются на прямошовные и спиралешовные. Прямошовные свариваются из одного листа или двух обечаек. В настоящее время известно достаточно много конструкций цилиндрических, коробчатых труб изготавливаемых из металла, неметалла (например, различного рода бетонов), пластмасс и их сочетаний.
25
Наиболее распространенными являются металлические прямошовные трубы с однослойной стенкой. Механические свойства малоуглеродистых, низколегированных и термоупрочненных сталей (по техническим условиям), применяемых для строительства магистральных трубопроводов, сосудов и резервуаров, исследовавшихся в работе, приведены в табл. 1.1 - 1.5.
Конструкции, которые позволяют повысить работоспособность и надежность трубопроводов рассматриваются в работах [26, 69, 86, 195, 228]. Известно большое количество конструкций труб с многослойной стенкой в России, ФРГ, Японии. Трубопроводы из многослойных труб более полно используют несущую способность металла под действием внутреннего давления, но обладают слабой продольной устойчивостью и, в ряде случаев, низкой герметичностью. Одним из конструктивных решений, направленных на предотвращение лавинного разрушения труб, являются вязкие вставки. В ИЭС им. Е.О.Патона разработаны конструкции вязких вставок. Важной и нерешенной проблемой остается расстановка вставок но длине трубопровода с учетом климатических зон. Перспективными трубопроводами являются двухтрубные с заполнителем и бандажированные [26].
Таблица 1.1
Механические свойства металла труб отечественной поставки
Марка стали ств. МПа 00,2, МПа 55, % Ударная вязкость Дж/см2 Процент волокна в изломе образцов Д\УТТ
кси КСУ
17Г1С 520 360 20 30 (-60°С) 40(-0°С) 60 (-5°С)
17Г1С 600 420 16 50 (-40°С) 60 (-5°С) 60 (-5°С)
17Г1С-У 520 370 20 40 (-40°С) 30 (0°С) 60 (-5°С)
17Г2СФ 550 380 20 50 (-40°С) 60 (-5°С) 60 (-5°С)
17Г2СФ 600 420 16 50 (-40°С) 60 (-5°С) 60 (-5°С)
5Г2АФЮ 560 420 20 50 (-40°С) 80 (-5°С) 70 (-5°С)
] 4Г2СФ 570 400 19 35 (-60°С) 80 (-5°С) 70 (-5°С)
13Г2АФ 530 360 20 40 (-60°С) 40 (-5°С) 60 (-5°С)
10Г2Ф 560 440 19 50 (-60°С) 80 (-15°С) 80 (-15°С)
09Г2ФБ 550 420 19 50 (-60°С) 80(-15°С) 80 (-15°С)
08Г2СФБ 590 460 20 50 (-60»С) 60 (-15°С) 70 (-15°С)
Х70 590 440 20 54 (-60°С) 60 (-15°С) 80 (-15°С)
26
Таблица 1.2
Механические свойства металла труб импортной поставки
Ударная вязкость Дж/см2 Процент
Страна поставщик Класс стали СТВ. МПа <70.2, МПа 65,% кси КСУ волокна в изломе образцов Д\УТТ
ФРГ Х60 529,6 392,3 20 58,8 (-60°С) 58,8 (-20°С) 70(-20°С)
X 70 588,4 461 20 49 (-60°С) 78,5 (-20°С) 80(-20°С)
Х60 588,4 461 20 58,81 (-60С) 117,7 (-20°С) 85(-20°С)
Япония X 75 637,5 510,0 18 58,8 (-60°С) 117,7 (-20°С) 85(-20°С)
X 80 686,5 539,4 16 58,8 (-60°С) 78,5 (-20°С) 85(-20°С)
Х60 588,4 461,0 20 49 (-60°С) 78,5 (-20°С) 80(-20°С)
Италия X 65 632,5 500,2 18 49 (-60°С) 58,8 (-20°С) 85(-20°С)
Х66 637,5 500,2 18 58,8 (-60С) 117,7 (-20°С) 85(-20°С)
Таблица 1.3
Механические свойства и химический состав металла труб
Химический состав Механические свойства в листе толщиной 10 - 20 мм.
Марка стали, стандарт Содержание элементов, вес. % <7в, <70.2, 65, Ударна
С Мп Б Р МПа МПа % кГ м/см2
Японская сталь, стандарт <0,24 0,15- 0,50 0,70- 1,35 < 0,035 < 0,040 490- 630 >350 > 18 КСУ-55 >2,0
17ГС ГОСТ 19282-73 0,14- 0,20 0,4- 0,6 1,0- 1,4 <; 0,035 £ 0,040 >500 £ 340 >23 КСУ-« > 3,5
09Г2С ГОСТ 19282-73 0,12 0,5- 0,8 1,3- 1,7 < 0,035 <0,040 >480 >330 £ 21 КСУ -« ^ 3,5 КСУ -« >3,0
СтЗГсп 0,14- 0,22 0,15- 0,30 0,8 -1,1 < 0,040 < 0,050 >40 >25 КСУ -« ^ 3,0
27
Таблица 1.4
Требования стандарта А8ТМ А537-1 к химическому составу и сертификационные данные
Маркировка листа Содержание элементов, %
С Si Mn Р S
Требования стандарта (max / min) 0,24 0,50-0,15 1,35-0,70 0,035 0,040
770605-12-1 0,18 0,40 1,18 0,014 0,004
770604-1-1 0,17 0,35 1,25 0,014 0,003
770604-3-1 0,17 0,35 1,25 0,014 0,003
770608-1-1 0,19 0,37 1,20 0,013 0,006
Таблица 1.5
Требования стандарта А8ТМ А537-1 по механическим свойствам стали
и сертификационные данные
Маркировка листа Временное сопротивление, кг/мм2 Предел текучести, кг/мм2 Относительное удлинение, % Ударная вязкость, кгм/см2
Требования стандарта (max / min) 63,3 49,2 35,2 18,0 2,0
770605-12-1 58,2 42,2 33,2 7,9-9,8
770604-1-1 59,8 41,3 29,7 12,3-14,2
770605-3-1 58,0 39,5 31,2 7,5-10,3
770604-3-1 60,7 39,6 29,8 11,6-16,1
770608-1-1 61,4 49,7 29,0 7,5-9,8
Одним из основных показателей нормальной эксплуатации магистрального трубопровода является неизменность его проектного положения. Конструктивным решением обеспечения проектного положения трубопровода являются применение различного рода утяжелителей и анкерных устройств.
Магистральный трубопровод представляет собой сложную пространственную конструкцию. Условия эксплуатации трубопроводов включают вид их прокладки (подземная, наземная, надземная на опорах),
28
прохождение трассы (болота, обводненные участки, водные преграды, дороги и др.), климатические условия и температуру транспортируемой среды. В зависимости от условий прокладки рассчитывают толщину стенки трубы.
По времени действия на линейную часть трубопровода нагрузки разделяют на постоянные, временные и особые [5, 17, 19, 26, 90, 108, 118, 125, 191, 226, 251]. К постоянным нагрузкам относятся: масса трубопровода, давление грунта, предварительное напряжение трубопровода (упругий изгиб). К временным нагрузкам относятся нагрузки, действующие меньше расчетного периода эксплуатации. По СНиП это внутреннее давление, температурные воздействия, упругие деформации грунта. Деформации грунта, сопровождающиеся изменением его структуры, относятся к особым нагрузкам. По характеру действия на конструкцию различают нагрузки статические, циклические и динамические. К статическим нагрузкам условно относят такие, время приложения или изменения которых велико по сравнению с периодом собственных упругих колебаний конструкций.
Расчетная нагрузка при эксплуатации определяется следующим выражением [26]:
Рр=пРи (1.1)
где Рн- нормативная нагрузка для соответствующего режима; п - коэффициент надежности по нагрузке, п- 1,0ч-1,4.
На основе статистических данных как внутреннее давление, так и температура, меняются во времени. Циклический температурный процесс в сочетании с силовыми воздействиями приводит к образованию арок, изменению оси трубопровода в плане и пространстве.
Для уточненного анализа напряженно-деформированного состояния трубопроводов условно разделяют возникающие в нем деформации на основные, дополнительные и местные (локальные). К основным относят упругие деформации от давления, к дополнительным - деформации от изгиба