Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристржа 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 трубопро водного 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 трубопрово
дов 53
1.3.1. Анализ статистики отказов трубопроводов 53
Глава 2. Нормативная база по обеспечению прочности, долговечности и безопасности сосудов и трубопроводов 59
2.1. Предельные состояния и статическая прочность сосудов, ре
зервуаров 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 магистраль-
ных трубопроводов 74
2.5. Определение и нормирование ресурса резервуаров и трубопро-
водов 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 газонефтехимии и методы их парирования 189
4.4.1. Анализ возможных аварийных ситуаций 189
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 аварий ных ситуациях 251
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 локаль ных 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
- Уникальные конструкции для хранения особо опасных продуктов газопереработки
- Научно-технические основы защиты от тяжелых аварий и катастроф
- Особенности предельных состояний и разрушения магистральных трубопроводов при нештатных ситуациях
- Исследование остаточных напряжений в зонах локальных повреждений
Введение к работе
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
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
повышение качества строительства и надежности эксплуатации, магистральных газо- и нефтепроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями».
Государственная научно-техническая программа ГКНТ СССР, Мин
промнауки России, АН СССР, РАН. «Безопасность населения и народ
нохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и
техногенных катастроф», 1991-2001 гг. (Научные направления «Новые
методы повышения безопасности технических систем», «Научные осно
вы нормирования безопасности технических систем для штатных и не
штатных ситуаций с учетом несанкционированных воздействий»).
Программа РАН, Минтопэнерго, МЧС России о первоочередных мерах
по разработке методов, средств и систем предотвращения катастрофиче
ских 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 ASME-PAH», 1994 -1996 гг.
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.
Основные задачи исследований:
- установить закономерности возникновения предельных состояний в сосудах и трубопроводах с ненормированными повреждениями в штатных и аварийных ситуациях;
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 нагружений;
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.
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.
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.
Получены закономерности распределения экстремальных остаточных напряжений при образовании и развитии ненормированных повреждений.
Разработаны методы и средства экспериментального моделирования и определения экстремальных параметров локального деформирования и оценки механических свойств материала при штатных и аварийных ситуациях.
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.
Получены данные воздействия вторичных факторов аварий, позволяющие оценивать состояние и риск потенциально опасных объектов.
Разработана методика расчета остаточного ресурса и прочности сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
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.
Разработаны рекомендации и конструктивные решения по определению и повышению прочности, долговечности и безопасности сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях.
5. На защиту выносятся результаты теоретических и расчетно-
экспериментальных 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 ком
плекса коэффициентов обеспечивающих прочность, ресурс и долговечность
сосудов и трубопроводов до уровней, характерных для штатных и аварий
ных 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
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:
РД 09-102-95 Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортех-надзору России. - М.: Госгортехнадзор России, 1995.
MP. Метод хрупких покрытий для определения деформаций в элементах нефтегазохимических агрегатов и производств. - М.: Госгортехнадзор России, 2001.
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;
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.
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.
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. А.А. Благонравова РАН и Научно-технологическом центре нефтегазопро-мыш ленников.
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
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,
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,
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
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.).
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.
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.
Уникальные конструкции для хранения особо опасных продуктов газопереработки
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 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.).
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, О.А. Бакши, Л.Л. Березина, П.П. Бородавкина, В.Г. Галеркина, А.Н. Гузя, А.П. Гусенкова, А.Р. Даффи, М. Каннинена, Г.П. Карзова, Л.М. Качанова, В.Л. Колмогорова, Л.А. Копельмана, А.Я. Красовского, С.А. Куркина, Н.А. Махутова, Н.П. Мельникова, Е.М. Морозова, В.З. Партона, Б.Е. Па-тона, СВ. Серенсена, СП. Тимошенко, В.И. Труфякова, В.В. Харионов-ского, В.Ф. Чабуркина, Е. Фолиаса, Г.С Шапиро, Ф. Эрдогана, С.Я. Яре-мыидр[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, A.M. 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, Н.А. 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, А.С. 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. 1.1. Конструктивные формы, материалы и технологии изготовления сосудов и трубопроводов
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 ( 1000С) 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 -101С. Одновременно удаляется thS до 1 ррм по объему.
Научно-технические основы защиты от тяжелых аварий и катастроф
Данные статистики отказов позволяют выделить направления повышения надежности трубопроводов: повышение требований к качеству труб, сварных соединений, технологии строительства и ремонта. Однако, в рамках анализа только статистических данных не удается в полной мере раскрыть многие причины отказов отдельных элементов и проанализировать связь между требованиями действующих норм и фактической работоспособностью элементов трубопроводов. Дальнейшее повышение надёжности трубопроводов затруднено без раскрытия физических причин и механизмов отказов отдельных элементов трубопроводов, связанных с характером их нагруженности, кинетикой развития дефектов и др. [8, 9, 33, 34, 50, 107].
В то же время, углубленный анализ физических причин и механизмов отказов элементов указывает на рассогласованность в ряде случаев требований норм к качеству элементов с их реальной работоспособностью.
В частности, с позиций норм, в которых требования к качеству заложены без учета переменного нагружения, не удается объяснить и предупредить случаи образования очагов отказов элементов трубопроводов перекачивающих станций по усталостному механизму.
Формирование требований к качеству сварных соединений, в основном, исходя из возможностей технологии сварки и контроля, без должного учета их работоспособности привело к тому, что по мере совершенствования неразрушающего контроля и повышения выявляемое дефектов повышались требования норм в отношении объемных дефектов, хорошо выявляемых радиографическим контролем. В результате ремонт сварных соединений в 80% случаев сводился к удалению пор, а при заварке мест удаления дефектов в жестком контуре в местах ремонта образовывались наиболее опасные дефекты-трещины, росло число отказов по этой причине. Не в полной мере учитывались также вопросы взаимодействия дефектов [52, 126,177].
Характер и механизмы отказов и повреждений определяют тяжесть возникновения чрезвычайных ситуаций. В прямом виде оценка тяжести по традиционным статистическим данным (рис. 1.49-1.51) затруднена.
В этой связи представляют интерес анализ и исследования предельных состояний, ресурса, безопасности и работоспособности элементов трубопровода при наличии дефектов в условиях реального нагружения с учетом штатных (нормальных) и аварийных ситуаций.
Анализ причин и механизмов отказов трубопроводов показывает, что, как правило, их разрушение начинается с плоскостных поверхностных дефектов и представляет собой процесс, развивающийся во времени. При этом разрушение проходит три стадии: подрастание трещины от поверхностного дефекта до сквозной; подрастание сквозной трещины до критических размеров; закритическое распространение разрушения. Последняя стадия является наиболее опасной и определяет риск эксплуатации трубопроводов.
Скорость подрастания сквозной трещины зависит от характера общего и местного нагружения, а также от трещиностойкости основного металла и металла сварного соединения. На практике известны случаи наблюдений докритического развития сквозных трещин при эксплуатации трубопроводов в течение нескольких часов, а иногда и нескольких месяцев. Образование сквозной трещины обнаруживается по выходу продукта, что в настоящее время является одним из основных способов диагностики состояния трубопровода. Принятие необходимых мер по ликвидации отказов на стадии подрастания трещины до сквозной и критической позволяет на один-два порядка сократить затраты на ремонт и потери от последствий аварийных и катастрофических разрушений.
Таким образом, систематический анализ и обработка реальной на-груженности магистральных газо- и нефтепродуктоводов показал проявление цикличности в изменении давления и температур. Характерное число циклов изменения давления различных амплитуд для нефтепродуктоводов за проектный срок эксплуатации достигает Л 1,5-105, газопроводов 7V 2,0-104. Число циклов изменения температуры при транспортировке газа достигает iV l,4104, шаровых и цилиндрических резервуаров iV 2,0-105 -5,0-105 соответственно. Цикличность высоконагруженных аппаратов по температуре и давлению (Р 6,6 МПа, 7 350С) достигает 5,0-103 циклов за 25 лет эксплуатации.
Наиболее распространенными типами повреждений сосудов и трубопроводов являются трещины механического и коррозионного происхождения в металле швов и в зонах механических воздействий. Наиболее тяжелые аварийные ситуации возникают при переходе трещин в закритические состояния, определяющие разрывы и разрушения с выбросами рабочих продуктов.
Особенности предельных состояний и разрушения магистральных трубопроводов при нештатных ситуациях
Приведенные в п. 1.3 данные об отказах нефтепровода Шаим-Тюмень типичны для всех жидкостных трубопроводов за период эксплуатации с 1967 г. по 1990 г.; они обобщены в табл. 3.1. Всего за указанный промежуток времени их зарегистрировано 36, средний за весь период эксплуатации параметр потока отказов составляет 3,66 отказа в год на 1000 км. Причиной отказов в 50% случаев являлись дефекты, образовавшиеся в ходе строительно-монтажных работ (п. 3, табл. 3.1), в 25% случаев - дефекты заводского происхождения (п. 2, табл. 3.1). Доля отказов, вызванных внешними механическими повреждениями трубопровода сторонними организациями, составляет около 14% [188, 191]. Типичный пример такого повреждения, представляющего собой два прокола стенки трубы гусеницей трактора-болотника (размерами 25x35 мм, расположенных в центре вмятин диаметром 200 мм, глубиной 10 мм на расстоянии 65 мм друг от друга), показан на рис. 3.1. Эксплуатационными ошибками вызвано около 11% отказов, выраженных коррозионных повреждений за время эксплуатации не отмечалось.
Отказов линейной части в процессе эксплуатации за весь период зафиксировано 20 (п.п. 2; 3 а, б, в табл. 3.1). Распределение их по времени показано на рис. 3.2 а. В первые пять лет эксплуатации произошло 2 отказа. Причиной первого из них (1968 г.) было неудовлетворительное качество сварки заводского продольного шва, в результате чего образовалась продольная трещина. Во втором случае (1972 г.) имел место разрыв трубы по основному металлу вследствие наличия микротрещин в теле трубы во вмя тине, образовавшейся при механическом воздействии в процессе строительства трубопровода. Далее в течение 6 лет (1973-1979 гг.) отказов не наблюдалось. За период с 1980 по 1984 г. из 10 отказов 6 представляли собой разрывы по поперечному монтажному шву № 4 - по другим дефектам строительно-монтажных работ (свищ в центре вмятины, прожог трубы, гофр).
Наибольшее число отказов в этот период наблюдалось в 1983 году. В 1985-1990 годах основная доля отказов линейной части (6 из 8-ми) была обусловлена разрывами труб по продольному шву. В это же время при гидравличеких испытаниях (1990 год, Рисп = 5,9 МПа) проявились строительные дефекты (царапины, вмятины, задиры) образовавшиеся в ходе капитального ремонта трубопровода - смена изоляции в 1982 году (п. 3 г табл. 3.1). Максимум отказов в этот период наблюдался в 1988 году.
Распределение отказов по длине трубопровода показано на рис. 3.26. Больше всего отказов наблюдается на участках, расположенных после НПС «Шаим-П» (0+50 км, 6 отказов) и НПС «Кума» (200+250 км, 4 отказа), что согласуется с известной закономерностью, описанной, например в [163]. Максимум на участке 300+400 км не связан близостью к насосной станции. Его можно объяснить, если принять во внимание, что половина отказов на участке 300-е-350 км и все отказы на участке 350ч-400 км произошли в 1983 году и причиной их появления были строительно-монтажные дефекты (задиры, вмятины) или высокие местные напряжения в зоне поперечных сварных швов. И те, и другие образовались во время подъема трубы и замены изоляции при капитальном ремонте в 1982 году (подтверждением служит тот факт, что при переиспытаниях в 1990 году на участке 350-н400 км было зарегистрировано 7 разрывов труб по царапинам от рабочих органов строительных машин). Максимум числа отказов на участке 300ч-400 км объясняется, следовательно, проявлением дефектов, образовавшихся при ремонтных работах.
Таким образом, анализ данных по отказам трубопровода Шаим-Тюмень показал, что, начиная с 1980 года, наблюдалось периодическое возрастание числа отказов с максимумами в 1983 и 1988 годах, когда были проведены ремонтно-восстановительные работы.
В связи с этим был проведен анализ состояния металла линейной части для металла, вырезанного в местах ремонта и отказов.
Наиболее информативным является порыв трубы из стали ЧС происшедший при эксплуатации на 275 км непосредственно после подъема трубопровода для замены изоляции 1 декабря 1984 г. при низком давлении 1,5 МПа на участке, расположенном в вершине дуги 120 поворота трассы в плане. Глубина заложения в месте отказа 1,5 м, промерзание грунта (суглинок) 2 м, температура нефти +10С. Порыв произошел в месте гофра снизу на 5 ч по ходу нефти по основному металлу.
Исследование остаточных напряжений в зонах локальных повреждений
Путем количественного макрофрактографического анализа ударных образцов была оценена ширина участков сдвига на изломах («губ среза») (см. рис. 3.39 а), характеризующих деформационную способность материала, а также площади хрупкого долома образцов при температуре -60С, позволяющие оценить критическую температуру хрупкости. Эти данные представлены на рисунках 3.40, 3.41, на которых также приведены результаты подобных измерений, выполненных на стандартных образцах Шарпи из стали 17Г1С в исходном состоянии и после выдержки в среде ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов), получаемой из основного продукта, транспортируемого по трубопроводу. Из рис 3.40 следует, что ширина губ среза в испытанных образцах, особенно вырезанных в продольном направлении, значительно выше той же характеристики стандартных образцов из стали 17Г1С. Однако, значения площади хрупкого долома при температуре -60С близки значениям той же характеристики, оцененной для стандартных образцов после выдержки в среде ШФЛУ. Это показывает, что температура хрупкости материала трубопровода близка температуре -75С и не выше подобной характеристики для исходного материала (стали 17Г1С), которая составляет -60С. Снижение температуры хрупкости по сравнению с исходным состоянием материала обусловлено большим числом расслоений в стали после выдержки в среде ШФЛУ, вызывающим диссипацию энергии ударного разрушения (см. рис. 3.33, 3.35 а, 3.37, 3.38, 3.39).
Твердость стали измеряли методом Виккерса (HV) в соответствии с требованиями ГОСТ 2999-75. Нагружение проводили алмазной пирамидой при нагрузке 10 кгс и выдержке 10 с. Основные результаты измерений твердости металла трубы на удалении от мест разрушения приведены в табл. 3.16, твердость вблизи траектории магистральных трещин - в табл. 3.17.
Основной металл труб (см. табл. 3.16) характеризуется относительно равномерным распределением твердости по толщине проката. Средняя величина твердости имеет для всех образцов близкие значения и составляет для образца 1-1-162 HV, для образца 6-1-169 HV, для образца 6-2-167 HV. Величина временного сопротивления, рассчитанного по результатам дю-рометрического анализа, равно 53,4...55,8 кг/мм2.
Средние значения твердости, измеренные на образцах из фрагмента 2, вдоль поверхности разрушения, варьируются в пределах 150... 161 HV, и практически не изменяются по мере удаления от излома в объем металла. Указанным значениям твердости соответствует временное сопротивление 49,5... 53,1 кг/мм2, что на 3...4 кг/мм2 ниже, чем для фрагментов 1 и 6. Причиной снижения твердости металла фрагмента 2, в том числе в прилегающих к излому деформированных участках, является вторичный фактор аварии - тепловое воздействие во время пожара.
Заметное снижение значений твердости в отдельных точках измерений при движении «дорожки» вдоль поверхности изломов обнаружено на шлифах 2-4 и 2-6. Эти шлифы представляют металл из зон нормального вязкого отрыва. Это снижение значений твердости до 134 HV на шлифе 2-6 и 142 HV на шлифе 2-4 вероятно обусловлено попаданием индентора на поры, образующиеся при вязком разрушении.
Твердость металла сварных соединений фрагментов 4 и 5 существенно выше. Измеренные значения твердости на образце 4-1 изменяются от 179 до 205 HV, на образце 5-1 - от 227 до 271 HV. На образце 5-2 твердость достигает значений 234...236. В образце 5-1 по мере удаления от излома на 5 мм твердость снижается от 258 до 227 HV. Такие значения и распределение твердости свидетельствуют о том, что фрагменты 4 и 5 по сравнению с фрагментом 2 подверглись различному температурному воздействию, включая нагрев и охлаждение при пожаре.
Фрактографический анализ методом растровой электронной микроскопии
Методом оптической и растровой электронной микроскопии изучены поверхности разрушения трубопровода в двух сечениях (7V2, N4,), соответствующих вертикальному (N2) и горизонтальному (N4) участкам трубопровода. Схематизация поверхности разрушения, фотографии изломов трубопровода и схема вырезки темплетов (образцов) для изучения микропараметров разрушения представлены на рисунках 3.33-3.37.
Анализ макрорельефа излома в сечении N2 позволил предположить, что макротрещина развивалась из двух очагов, показанных на схеме нижней части поверхности разрушения (очага I и II, рис 3.33) и останавливалась у противоположного края излома. Верхняя ответная часть поверхности разрушения смещена относительно нижней.
Первый предполагаемый очаг разрушения длиной около 98 мм (очаг I, рис. 3.33) находится напротив противоположного участка сечения трубопровода, оставшегося не разрушенным. Поверхность разрушения в пределах очага почти перпендикулярна образующей трубы.
Предполагается, что зарождение трещины произошло вследствие язвенной коррозии со стороны внутренней поверхности, облегченной многочисленными мелкими и крупными расслоями материала трубы. Наибольший из них проходит посередине сечения излома. Возможное наличие водорода в основном продукте, транспортируемом по трубопроводу, как известно, способствует увеличению числа и раскрытия расслоений, поскольку атомарный водород накапливается в зонах концентрации напряжений в вершинах расслоев, где затем молизуется и создает высокие локальные давления, способствующие растрескиванию.
Похожие диссертации на Предельные состояния, прочность и ресурс сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях
