Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. Проблемы обеспечения безопасности эксплуатации и продления срока службы нефтегазового оборудования, выработавшего назначенный ресурс 7
1.2. Основные сведения о сосудах и аппаратах по подготовке и транспортировке газа 11
1.2.1. Абсорберы 12
1.2.2. Адсорберы 13
1.2.3. Сепараторы 15
1.2.4. Теплообменное оборудование 17
1.2.5. Циклонные пылеуловители 17
1.3. Дефекты и деградационные процессы в корпусах и сварных соединениях нефтегазового оборудования после длительной эксплуатации и методы их диагностирования 27
1.3.1. Деградация механических свойств материалов 28
1.3.2. Виды охрупчивания 30
1.3.3. Коррозионно-эрозионные процессы в сосудах и аппаратах 32
1.4. Параметры технического состояния и техническое диагностирование 42
1.5. Сбор, систематизация и анализ технической документации 50
1.6. Понятие ресурса и применяемые детерминистические методы его оценки 58
1.7. Практические примеры оценки технического состояния сосудов и аппаратов 65
2. Расчеты на прочность и сейсмостойкость конструкций нефтегазового оборудования с использованием программного пакета ANSYS 67
2.1. Расчет на сейсмостойкость пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами 67
2.2. Определение собственных частот и форм колебаний методом итераций в подпространстве 71
2.3. Спектральный анализ 75
2.4. Расчет на сейсмостойкость печи для нагрева кислого газа 83
2.5. Расчет на прочность реактора для окисления сероводорода в газе 86
2.6. Расчет на устойчивость колонного аппарата с учетом ветровой нагрузки 89
3. Вероятностные методы оценки остаточного ресурса промыслового оборудования при поверхностном разрушении 94
3.1. Данные диагностического обследования 94
3.2. Статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии, с использованием распределения Вейбулла 97
3.3. Оценка остаточного ресурса обечаек абсорбера по методике вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов 102
3.4. Уточненный расчет остаточного ресурса абсорбера 106
3.4.1. Оценка вероятности отказов по данным диагностики 106
3.4.2. Оценка остаточного ресурса 110
3.4.3. Результаты расчетов 114
3.5. Выводы 125
Заключение 126
Список литературы
- Основные сведения о сосудах и аппаратах по подготовке и транспортировке газа
- Деградация механических свойств материалов
- Определение собственных частот и форм колебаний методом итераций в подпространстве
- Оценка остаточного ресурса обечаек абсорбера по методике вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов
Введение к работе
Предпосылками к изучению проблемы надежности и оценки остаточного ресурса несущих (силовых) конструкций технических устройств опасных производственных объектов газо-, нефтехимических производств стали, во-первых, исследования по оценке показателей надежности сооружений и конструкций, проводимые на кафедре Динамики и прочности машин Московского энергетического института [98]. Во-вторых, возникла необходимость проверить эффективность разработанных методов применительно к таким сооружениям, как абсорберы, адсорберы, печи для нагрева газа, ректификационные колонны, пылеуловители и сепараторы (далее сосуды, аппараты), т.е. к оборудованию, работающему на установках сбора, транспортировки и переработки газа и газового конденсата.
Основными причинами возникновения аварийных ситуаций, перерастания их в аварии и катастрофы являются, как правило, отказы технических систем вследствие ошибок в проектировании, нарушения технологии изготовления, условий и режимов эксплуатации, а также природных явлений типа землетрясений, ураганов и др. Для конструкций и сооружений, длительное время находящихся в эксплуатации, причиной отказа могут стать коррозия, деградация свойств материалов, предельные уровни накопленных повреждений, образование и неконтролируемое распространение трещин [48,54,58,59].
Проблемы наблюдения за изменением сопротивляемости разрушению и адекватного уточнения времени безопасной эксплуатации промышленных объектов особенно актуальны в настоящее время, когда эксплуатационные параметры для большинства действующих аппаратов нефтяной и газовой промышленности практически достигли предельных значений, а проектный срок их коммерческого использования близок к завершению.
В нефтегазовой отрасли оценка технического состояния и остаточного ресурса сосудов и аппаратов, выработавших назначенный срок службы, опирается на нормативно-техническую документацию: методики, методические ука зания и т.п. [58-66]. Охватывая достаточно широкий круг вопросов, эти документы основной акцент делают на контроле технического состояния неразру-шающими методами, который является необходимой, но лишь частью работ, проводимых при диагностировании технического состояния сосуда. Существующие методики не позволяют учесть возможную опасность разрушения конструкций от всех обнаруженных в них дефектов. В данной работе рассматриваются новые методы анализа допустимости дефектов конструкций. Это вероятностные методы механики разрушения, которые учитывают статистические разбросы размеров обнаруженных дефектов, данные по механическим свойствам материала, а также надежность систем неразрушающего контроля.
С другой стороны, существующие отраслевые стандарты не позволяют адекватно учесть в расчетах все нагрузки, которым подвергается сосуд во время эксплуатации. Это связано с тем, что объекты газо-, нефтехимических производств относятся к мелкосерийному производству, характеризуются индивидуальной нагруженностью как изнутри (разные среды и технологические параметры), так и снаружи (разные природно-климатические условия).
В начале работы над диссертацией была поставлена цель — дать максимально приближенную к реальной оценку технического состояния сосуда, выработавшего назначенный срок службы или эксплуатируемого в условиях индивидуальной нагруженности. Реалистичность оценок в данной работе обоснована следующими положениями: в задачах оценки остаточного ресурса:
• отказ от распространенной детерминированной квазистатической постановки задачи [72], учет развития коррозии как случайного процесса во времени, применение распределения Пуассона для статистической оценки остаточного ресурса оборудования;
• сравнение и анализ проведенных расчетов с оценками по существующим методикам;
в расчетах на прочность:
• проведение численного эксперимента для различных вариантов нагружения с большой точностью, используя метод конечных элементов и проводя объемное математическое моделирование конструкции;
• сравнение результатов с расчетами по существующим отраслевым нормативным документам.
Данная работа выступает как анализ и существенное расширение существующих методик оценки технического состояния и продления срока службы оборудования. Были составлены база данных и программа по оценке технического состояния оборудования, методам неразрушающего контроля и статистической обработке результатов измерений.
Диссертация состоит из 3 глав. Первая глава содержит обзор литературы по теме. В ней освещены общие данные по оборудованию для подготовки и переработки газа и газового конденсата, выбираются объекты исследования. Рассмотрены условия эксплуатации, виды и основные причины коррозионных поражений металлических конструкций, а также других дефектов металла корпуса и сварных соединений сосудов давления. Подробно описываются общепринятые подходы определения остаточного ресурса, продления срока службы оборудования.
Во второй главе решены задачи расчетов на сейсмостойкость пылеуловителя с прикрепленными к нему трубопроводами, печи для нагрева кислого газа, на устойчивость колонного аппарата — регенератора диэтиленгликоля под действием ветровой нагрузки, на прочность реактора для окисления сероводорода в газе. Эти примеры демонстрируют целесообразность применения метода конечных элементов и объемного моделирования конструкции.
В третьей главе рассматриваются вероятностные модели накопления повреждений. Проведен статистический расчет остаточного ресурса абсорбера, подвергшегося общей коррозии с использованием распределения Пуассона. Выполнено сравнение результатов с результатами расчетов по существующим в отрасли методикам оценки остаточного ресурса.
Основные сведения о сосудах и аппаратах по подготовке и транспортировке газа
Природные газы перед подачей в магистральные газопроводы проходят сложную систему сбора и обработки.
Система сбора газа и конденсата включает комплект оборудования и трубопроводов, служащих для подачи газов от скважин до установок комплексной подготовки газа (УКПГ), головных сооружений (ГС) или газоперерабатывающих заводов (ГПЗ).
Выбор схемы сбора зависит от объемов добычи, состава пластовой смеси (наличие кислых компонентов и тяжелых углеводородов), устьевых параметров скважин, площади и конфигурации месторождения, числа и характеристики продуктивных пластов и других параметров, а также способа подготовки газа к транспортированию, требований к качеству товарного газа, мощности технологических установок, близости месторождения и т. д. [93].
Одним из основных процессов при подготовке газа к транспорту является процесс осушки. Для осушки газа широко применяют абсорбционные и адсорбционные методы. В практике для отделения углеводородного конденсата и воды применяется процесс низкотемпературной сепарации.
Процессы переработки газа подразделяются на вспомогательные и основные. К вспомогательным относятся процессы очистки газов от механических примесей и влаги, к основным — извлечение из сырья кислых компонентов и углеводородных фракций. Основными процессами ГПЗ являются процессы сепарации, абсорбции, адсорбции, десорбции и гидроочистки.
Для производства моторных топлив на ГПЗ эксплуатируются установки атмосферно-вакуумной трубчатки (АВТ), изомеризации и каталитического риформинга (КР).
Все газовые и газоконденсатные месторождения расположены в различных климатических зонах, поэтому требования к промысловой обработке газа различны. По климатическим зонам выделяются следующие регионы: к первой зоне относятся Южная и Средняя полоса, Север и Дальний Восток; ко второй — Тюменская, Томская, Иркутская, Сахалинская и Пермская области, Красноярский край, Республика Коми и Саха.
Сосуды и аппараты, эксплуатируемые на объектах подготовки газа и газового конденсата к транспорту, а также на компрессорных станциях (КС), работают на открытых площадках. Это преимущественно тонкостенные сварные сосуды диаметром 1000...2400 мм с толщиной стенки до 60 мм.
Температурный режим работы оборудования определяется технологическими особенностями производства. Для различного типа оборудования расчетная температура стенки сосуда лежит в диапазоне от -60 до +300С.
Действующие нагрузки нестационарны. Наряду со статическими нагрузками, обусловленными в основном остаточными сварочными напряжениями, действуют циклические нагрузки, связанные с пусками-остановами оборудования, колебаниями давления в подводящих трубопроводах, вибрацией трубопроводов и другими факторами.
Нагруженность различных зон оборудования может существенно отличаться. Наиболее нагруженными являются зоны конструктивных и технологических концентраторов напряжений — сварные швы, галтельные переходы, зоны крепления внутрикорпусных устройств, люки-лазы и др.
Ниже дано краткое описание сосудов, работающих под давлением, для которых в данной работе оценивался остаточный ресурс и проводились расчеты на прочность.
Для извлечения из газа влаги широкое распространение получили про-тивоточные абсорбционные процессы, основными аппаратами для осуществления которых служат абсорберы (рис. 1.2.1, 1.2.2).
Абсорбер оборудован тарелками различной конструкции. Навстречу по 13 току влажного газа подается жидкий поглотитель (например, раствор гликоля), вводимый на верхнюю тарелку. Стекая по тарелкам вниз, раствор извлекает влагу из газа и, насыщаясь, отводится с низа аппарата на регенерацию.
До недавнего времени на промыслах применялись абсорберы с колпач-ковыми тарелками. В последнее время появились агрегатные конструкции. В качестве примера агрегатного исполнения служат абсорберы, которые содержат три секции:
1. Секцию предварительной очистки газа от жидкости, состоящую из коа-лесцирующей ступени в виде сетчатой насадки и репарационной тарелки.
2. Секцию с контактными тарелками, представляющими сочетание ситча-той тарелки и контактной репарационной тарелки с прямоточно-центробежными элементами.
3. Секцию окончательной очистки газа, состоящую из батареи коалесци-рующих патронов, расположенных между сепарационными тарелками. Для осушки природного газа в промышленных установках применяют следующие жидкие поглотители: триэтиленгликоль, диэтиленгликоль и эти-ленгликоль.
Регенерация жидкого поглотителя путем его нагревания и снижением давления в системе осуществляется в десорбере.
Деградация механических свойств материалов
К неблагоприятным термическим воздействиям на материал относятся термический цикл сварки, вызывающий укрупнение зерна феррита и появление закалочных структур, а также пребывание (замедленное охлаждение) легированных сталей в диапазоне температур развития обратимой отпускной хрупкости (450 ... 550С).
Особенно существенное охрупчивание металла возникает в результате нарушения технологии сварки: попадании влаги в сварочную ванну, использо вании непросушенных сварочных материалов, обуславливающих появление в сварном соединении закалочных структур и наводораживания.
Все приведенные выше технологические факторы охрупчивания существенно влияют на комплекс характеристик трещиностойкости: вязкость разрушения, критическую температуру хрупкости и т.д.
К эксплуатационным факторам охрупчивания относятся все виды тепловых, механических, коррозионно-механических и коррозионных воздействий на металл в период эксплуатации, сосуд а, включая технологические и внеплановые остановки.
К числу основных видов охрупчивания материалов, возникающих при эксплуатации, следует отнести следующие:
1. тепловую хрупкость, обусловленную сегрегацией вредных примесей типа фосфора и выделением карбидов по границам зерен при длительном воздействии повышенных (250...500С) температур;
2. водородную хрупкость, вызванную воздействием водорода и водоро-досодержащих газовых и жидкостных сред;
3. деформационное старение в зонах и элементах конструкций, испытывающих малоцикловую усталость и перегрузку в результате накопления при пластической деформации дефектов кристаллической решетки (дислокаций) и последующего закрепления их атомами внедрения;
4. азотирование и науглероживание поверхностных слоев стали, обусловленные наличием при повышенных температурах эксплуатации в среде соответственно азота и углерода;
5. водородную коррозию при температурах 200...600С в среде водорода, вызывающую обезуглероживание, появление и накопление в стали газообразного метана, а затем и растрескивание.
Эксплуатируемое в настоящее время оборудование, которое запроектировано 20 — 35 лет тому назад, не учитывало многие из известных сегодня по вреждающих факторов, в том числе охрупчивание материалов под воздействием ряда эксплуатационных факторов. К числу таких явлений следует отнести тепловую хрупкость ферритных и ферритно-перлитных сталей, стресс-коррозию, сульфидное растрескивание. Общим для многих видов повреждаемости стали выступает снижение характеристик трещиностойкости, т.е. способности материала сопротивляться распространению трещин.
Наиболее распространенным из всех повреждающих факторов является коррозия (термин «коррозия» происходит от латинского слова «corrodere», что означает «пожирать, изгладывать»).
Коррозия металла - его разрушение вследствие физико-химического взаимодействия с внешней (коррозионной) средой. В результате коррозии ежегодно теряется до 1,5% всего металла, накопленного и эксплуатируемого человечеством [83].
Первопричиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в различных средах при данных внешних условиях. Коррозия — это процесс, посредством которого сплавы на основе железа возвращаются в более стабильную химическую форму, характерную для окиси. Коррозия — процесс, прямо противоположный металлургическим процессам, не нуждающийся в каких-либо энергетических затратах. Обычно для ее протекания не требуется специальных условий. Наоборот, требуется создавать специальные условия (наносить смазки и покрытия, применять ингибиторы и т.д.), чтобы предотвратить коррозию материалов или хотя бы снизить ее скорость.
С развитием промышленного потенциала во всех странах темп роста коррозионных потерь превышает темп роста металлургического фонда. Это обусловлено изменением структуры использования металла (возрос удельный вес металлов в отраслях, которые используют металлоконструкции в агрессивных средах - химической, нефтехимической, газонефтехимической и т.п.) и значительным повышением агрессивности атмосферы и естественных вод вследствие загрязнения их промышленными выбросами. Поэтому к коррозионной стойкости конструкции металлических материалов и методам их защиты с каждым годом предъявляются все более жесткие требования.
Определение собственных частот и форм колебаний методом итераций в подпространстве
Для адекватной оценки технического состояния конструкции необходимо знать фактические и прогнозные механические характеристики материалов (основного металла и металла сварных соединений) и НДС в потенциально-опасных зонах конструкции с учетом накопленных повреждений и выявленных дефектов.
При проведении технического диагностирования большую роль играет анализ фактических условий и параметров эксплуатации, проверка их соответствия проектно-конструкторской документации. Адекватный их учет позволяет в определенных случаях выявить резервы, необходимые владельцу оборудования. Например, формальный подход к оценке технического состояния одного из сосудов АГПЗ - абсорбера, подверженного интенсивному коррози-онно-эрозионному износу (минимальная толщина обечайки в зоне максимального повреждения составила около 20 мм при проектном значении 28 мм) показал необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ или списания сосуда. Уточнение фактического состава среды позволило выявить наличие запаса прочности и дало возможность владельцу продолжить эксплуатацию сосуда и подготовиться к его замене. Подконтрольная эксплуатация сосуда дает в подобных случаях возможность дополнительно проконтролировать ход повреждающего процесса.
Большую пользу может дать визуализация результатов диагностирования. Например, результаты толщинометрии принято документировать в табличной форме. Графические отображения фактической остаточной толщины протяженных и крупногабаритных сосудов и аппаратов позволяют правильно интерпретировать полученные результаты, неформальный подход к их анализу - определить наиболее вероятные причины именно такого протекания повреждающих процессов.
Непровары в сварных соединениях патрубков по действующим правилам проектирования недопустимы. Однако в производстве находится большой парк технологических сосудов, пущенных в эксплуатацию 20 лет назад и ранее, когда действовали другие правила. Формальный подход к таким «дефектам» сначала привел к большому количеству ремонтных работ. Внимательное расчетное исследование прочности сварных соединений с реальными непро-варами (с использованием конфигураций непроваров, полученных ультразвуковой дефектоскопией) подтвердил безопасность продолжения их эксплуатации и, более того, вредность ремонтно-восстановительных работ.
По результатам экспертного обследования (толщинометрии) в конце 90-х годов XX века некоторые экспертные организации стали браковать сосуды. Анализ этих работ показал, что полученные неверные оценки - следствие формального подхода при контроле металла с ликвацией (структурной неоднородностью по толщине). Не была проведена идентификация дефектов («включение», «пора» или «расслоение»). Проведенная в дальнейшем идентификация и лабораторные исследования (в том числе на образцах с острыми надрезами на усталостный рост трещин) показали, что сосуды сохранили свою работоспособность.. Сосуды были допущены к эксплуатации. Правила идентификации дефектов с оценкой их опасности вошли в методику РД 26.260.16 [81].
В ряде случаев нормативные расчеты нефтегазового оборудования не позволяют получить приемлемые результаты. Для потенциально опасных объектов, расчетные схемы которых не согласуются с расчетными схемами, предусмотренными нормативно-техническими документами, возникает необходимость проведения статических и динамических расчетов на основе конечно-элементных моделей с использованием современных программных пакетов. Широкие возможности для проведения подобных расчетов предоставляет программный комплекс ANSYS [102].
Для определения расчетных усилий, возникающих в аппаратах колонного типа постоянного и переменного сечения (таких как, например, абсорберов, адсорберов, пылеуловителей, печей для нагрева газа и т.д.) от сейсмических воздействий, предприятия-проектанты нефтегазового оборудования используют ГОСТ Р 51274-99 [31].
Этот стандарт предусматривает в качестве расчетной схемы аппарата колонного типа консольный упруго защемленный стержень. Аппарат по высоте разбивается на z участков. Вес аппарата принимается сосредоточенным в середине участка. Сейсмические силы прикладываются горизонтально в серединах z участков.
В ряде случаев такая схема не позволяет получить правильного результата. Полное объемное моделирование аппарата и разбиение его конечно-элементной сеткой поможет избежать потери местных концентраторов напряжений, а также учесть любые конструктивные особенности.
Оценка остаточного ресурса обечаек абсорбера по методике вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов
Обозначим / - характерный размер дефекта. В качестве него возьмем глубину коррозионного повреждения. Под отказом будем понимать достижение параметром / критического значения / . Критические значения / = 9 мм для обечаек и / =15 мм для днищ рассчитаны по нормативным документам [30,78] (категория сосуда - И). Вычисления проводятся отдельно для каждой обечайки и днища.
Одиночный дефект критического размера / системой диагностического контроля будет или обнаружен с вероятностью Pj (/ ) или не обнаружен с вероятностью Hl(h) = l — Pj(/ ). В первом случае условная вероятность отказа равна нулю, так как обнаруженный дефект с критическими размерами должен быть или устранен, или приняты меры по остановке его дальнейшего роста, или заменен участок конструкции с критическим дефектом. Во втором случае условная вероятность отказа равна единице, а безусловная вероятность отказа совпадает с вероятностью Н\ (/ ) необнаружения дефекта критического размера.
Если процесс обнаружения дефектов состоит из независимых событий, когда выявление одного дефекта не влияет на процедуру обнаружения других дефектов, то этот процесс можно считать пуассоновским. В этом случае вероятность Н(1) необнаружения хотя бы одного дефекта размером больше / можно оценить по формуле где v(l) — математическое ожидание числа не обнаруженных в результате контроля дефектов размером больше /.
В результате обследования можно посчитать только обнаруженные дефекты. Их математическое ожидание %(1) вычисляется через математическое ожидание общего числа дефектов ju(l) и вероятность Р (/) обнаружения одного дефекта размером больше /:
Вероятность Р (1) оценивается путем проведения поверочных испытаний на эталонных образцах с заданным числом дефектов определенного размера. Ее статистическая оценка равна отношению числа обнаруженных дефектов размером / к их общему числу. Для различных методов измерения и для различных типов дефектов имеется свой порог обнаружения /0, ниже которого
дефекты не будут обнаружены с вероятностью, близкой к единице. Порог обнаружения для ультразвукового толщиномера типа УТ-93П, которым производились измерения, составляет /0 =0,1 мм. В качестве аналитической аппроксимации для функции Р (/) можно взять экспотенциальную зависимость ГО, / /0 Л 7Ні Г U, ІЧІ I 7 (3-25) 1 — ехр[— А\1 — /0 )J, / IQ В качестве параметра Л, который оценивается экспериментально, можно Л А взять величину: Я = 1 /(/ - /Q ), где / - математическое ожидание размеров обнаруженных дефектов. Вероятность отказа на момент проведения контроля вычисляется по формуле (3.24) при /=/ :
Полученные соотношения также нетрудно обобщить на случай, когда имеется множество дефектов различных типов. Пусть число таких типов равно п, а дефекты каждого типа образуют пуассоновские ансамбли. Тогда все дефекты также образуют пуассоновский поток, а суммарная вероятность отказов равна Я0=1-П[1-Л ( . )] Анализируя данные измерений, можно прийти к выводу, что скорость коррозионного процесса / является случайной величиной. Для каждой обечайки или для днища эта величина колеблется в определенных границах
Здесь учтено, что при изготовлении обечаек и днищ, образующих данный аппарат, возможно отклонение толщины стенок от нормативного значения в допустимых ГОСТом пределах [30].
Далее в предположении о равномерном распределении скорости коррозии в интервале [/min max] моделировалось множество N=200 реализаций случайной величины / . Для этого многократно генерировалась случайная величина х, равномерно распределенная на отрезке [0;1]. Реализации / моделировались как
Размер дефекта в начальный момент времени /0 известен из результатов контрольных измерений. Если скорость коррозионного процесса постоянна, то легко вычислить размер дефекта в любой момент времени t t0. Для каждой реализации / фиксируется момент времени t, когда нарушается условие /( ) / (3.28) Можно положить, что процесс износа стенки описывается степенной функцией: l = l - tm, где т — детерминированный параметр, t — время.
При т=\ износ осуществляется с постоянной скоростью / , при т \ процесс износа ускоряется при эксплуатации, при т \ — замедляется. У диагностируемых аппаратов наиболее реальна ситуация, когда ультразвуковая толщинометрия проводилась только один раз или предыдущие измерения были непредставительными. В этом случае показатель степени m рекомендуется принимать равным единице. Как правило, такое допущение идет в запас прочности.
