Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ технологических свойств резервуаров и металлов, применяемых для их изготовления 10
1.1 Условия проведения монтажно-восстановительных работ на резервуарах 18
1.2 Факторы, влияющие на качество сварных соединений объек тов резервуарного парка 27
1.3 Анализ методов неразрушающего контроля материалов применяемых при монтаже и эксплуатации резервуаров 35
Глава 2 Материалы и методики исследований 39
2.1 Определение прочности сварных соединений 39
2.2 Механические испытания на ударный изгиб 41
2.3 Измерение твердости 43
2.4 Металлографические исследования 43
2.5 Химический анализ 43
2.6 Методика измерения напряженного состояния 43
Глава 3 Экспериментальная оценка свойств основного металла и металла сварных швов резервуаров и технологических трубопроводов 52
3.1 Исследование структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния 57
3.2 Химический анализ и коррозийная стойкость материала 60
3.3 Исследование факторов, влияющих на свойства и состав металла сварного соединения при проведении монтажно-восстановительных работ на открытых площадках 65
3.4 Определение прочностных характеристик элементов конструкции резервуаров и технологических трубопроводов 72
3.4.1 Определение числовых показателей нагрузок для расчета ре альных значений экологического риска эксплуатации резер вуаров 73
Выводы 78
Глава 4 Исследование влияния температуры окружаю щей среды и компонентов нефтепродуктов на напряженно-деформированное состояние вер тикальных цилиндрических резервуаров 79
4.1 Предпосылки к расчету напряженно-деформированного состояния резервуаров 80
4.2 Расчетная модель деформирования резервуаров 83
4.3 Разработка рекомендаций к методам проектирования резервуа ров для нефтепродуктов 95
4.3.1 Теоретическое обоснование расчетного уровня надежности резервуаров 99
4.4 Определение оптимального уровня надежности объектов резервуарного парка 104
Выводы 108
Глава 5 Совершенствование методов технической диаг ностики, оценки безопасности и остаточного ресурса эксплуатации резервуаров и технологи ческих трубопроводов 110
5.1 Обоснование и предпосылки оценки достоверности выявления дефектов в металлах сварных конструкций неразрушающими методами контроля 110
5.2 Выбор методов неразрушающего контроля для оценки надежности и ресурса резервуаров 116
5.2.1 Методика экспериментального определения качества материа ла сварных соединений ультразвуковым методом контроля 117
5.2.2 Исследование возможности применения тепловой дефекто скопии для определения качества металла резервуаров в про цессе их эксплуатации 129
5.3 Рекомендации к оценке состояния сварных резервуаров длительно работающих с нефтепродуктами 134
Выводы 139
Основные выводы 141
Литература 144
Приложения 155
- Факторы, влияющие на качество сварных соединений объек тов резервуарного парка
- Механические испытания на ударный изгиб
- Химический анализ и коррозийная стойкость материала
- Разработка рекомендаций к методам проектирования резервуа ров для нефтепродуктов
Введение к работе
Задачи технической диагностики и оценки остаточного ресурса опасных промышленных объектов (нефтепроводов, объектов хранения нефтепродуктов, энергетических установок) не относятся к числу принципиально новых научных и инженерных задач. Их концептуальные и методические формулировки рассматривались в работах [6, 7]. Однако в последнее время, в связи с экономическими и организационными причинами, они приобрели особую актуальность. К числу экономических относятся объективные тенденции создания объектов с большими поражающим потенциалом, старения парка оборудования, резервуаров, трубопроводов с массовым выходом за проектные ресурсы, снижения уровня производственной и технологической дисциплины, ухудшение ремонтной базы. Организационные причины связаны со структурными изменениями системы Госгортехнадзора России и становлением института независимой экспертизы [55].
Не смотря на широкие исследования и выпуск ряда нормативных документов, регламентирующих вопросы технической диагностики, оценки безопасности и остаточного ресурса, в этом направлении остались значительные методические проблемы [55, 98].
Открытым остается вопрос степени опасности того или иного вида структурной поврежденности для образования и развития конкретного вида микродефекта, либо снижения механических свойств до недопустимого предельного состояния по охрупчиванию, когда даже незначительный микродефект может привести к разрушению. Поэтому сохраняется актуальной необходимость системной обоснованной разработки применения методов и средств неразрушаю-щего контроля металла, особенно в сварных соединениях резервуаров и технологических трубопроводов для объективного прогноза, как остаточного ресурса, так и для практического комплексного мониторинга технического состояния.
В связи с этим задача оценки остаточного ресурса безопасной эксплуатации указанных объектов на основе оценки состояния свойств металла сварных резервуаров длительно работающих с нефтепродуктами, является актуальным направлением в совершенствовании оценки безопасности и остаточного ресурса резервуаров и технологических трубопроводов.
Решение этих задач в настоящее время практически сводится к [67]:
продлению ресурса эксплуатации (при нормативных рабочих нагрузках) и назначению сроков периодического контроля состояния объектов (резервуаров, трубопроводов и др.);
продлению ресурса при условии снижения рабочих нагрузок и учета климатических условий региона;
- прекращению эксплуатации объекта, его ремонт или замена.
Целью настоящей работы является разработка и совершенствование методов прогнозирования остаточных служебных свойств стальных сварных резервуаров, технологических трубопроводов и разработка рекомендаций по оценке их ресурса безопасной эксплуатации.
В задачи исследования входило:
оценка состояния материала основного металла и металла сварного шва, длительно контактирующих с нефтепродуктами;
выявление основных факторов, влияющих на преждевременный выход из строя сварных вертикальных резервуаров изготовленных из низколегированных высокопрочных сталей;
исследование изменения свойств материалов (основного металла и металла сварного шва) конструкций длительно контактирующих с нефтепродуктами;
разработка и совершенствование методик комплексного применения методов неразрушающего контроля качества основного металла и зоны сварного шва для оценки прочностных свойств резервуаров с учётом реальных условий их длительной эксплуатации;
- исследование влияния климатических факторов на химический состав и
' свойства металла сварного шва;
определение оптимальных режимов сварки резервуаров и технологических трубопроводов при монтажно-восстановительных работах на открытых площадках;
разработка методов определения расчётного уровня надёжности резервуаров и технологических трубопроводов;
разработка рекомендаций по эксплуатации и ремонту стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов.
Научная новизна работы заключается в следующем: экспериментально установлено, что основными факторами, влияющими на выход из строя сварных резервуаров и технологических трубопроводов, являются коррозионное и хрупкое разрушение основного металла и металла сварного шва. Разработан новый метод расчёта степени деформации резервуаров в зависимости от избыточного давления, толщины, веса, температуры обечаек и веса покрытия. Предложена математическая модель оценки эффективности неразрушающего контроля сварных соединений на этапе выявления дефектов с использованием методов теории стохастической индикации. Обоснованно и экспериментально доказано, что использование разработанной новой контактной жидкости на основе минерального масла, керосина, этилового спирта и скипидара повышает чувствительность ультразвукового контроля качества основного металла и металла сварного шва при температуре окружающего воздуха от - 50 С до + 50 С. На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований впервые предложена модель определения расчётного уровня эксплуатационной надёжности резервуаров и технологических трубопроводов длительно контактирующих с нефтепродуктами.
Практическая значимость. Разработаны методики неразрушающего контроля для оценки надёжности и ресурса резервуаров и технологических трубопроводов в процессе эксплуатации. Предложен новый метод расчёта сте-
пени деформации резервуаров в зависимости от эксплуатационных факторов. Предложена и экспериментально проверена методика определения прочностных характеристик элементов резервуаров тензометрированием. Разработан алгоритм определения ресурса объектов резервуарного парка на всех этапах эксплуатационного цикла. Разработаны нормативные документы по правилам технической эксплуатации стальных резервуаров для нефтепродуктов и инструкции по их ремонту.
На защиту выносятся следующие положения:
представления об основных факторах преждевременного выхода из строя вертикальных сварных резервуаров из низколегированных высокопрочных сталей;
методы неразрушающего контроля качества основного металл и зоны сварного шва резервуаров в процессе эксплуатации с целью установления возможного срока продления эксплуатации с учётом климатических условий;
алгоритм определения эксплуатационного ресурса объектов резервуарного парка;
рекомендации по выбору рациональных режимов сварки при монтажно-восстановительных работах на открытых площадках;
метод определения расчётного уровня надёжности резервуаров и технологических трубопроводов;
состав контактной жидкости, повышающей чувствительность ультразвукового контроля качества металла при температуре окружающего воздуха от - 50 С до + 50 С;
математическая модель оценки эффективности неразрушающего контроля свойств металла сварных резервуаров и технологических трубопроводов с учётом реальных условий эксплуатации;
- нормативные документы и инструкции по правилам технической эксплуатации и ремонту стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов.
Факторы, влияющие на качество сварных соединений объек тов резервуарного парка
Сварные соединения несомненно влияют на показатели надежности и безопасности резервуаров и технологических трубопроводов.
Проводимые исследования [7, 11, 21] показали, что причинами поломок, разрушений емкостей, трубопроводов чаще всего служат имеющиеся в металле различного рода дефекты. Наличие дефектов в сварных соединениях угрожает их прочности, снижает надежность. Их отрицательное влияние может прояв ляться даже в случае статического приложения нагрузок, при неблагоприятном сочетании с собственными внутренними напряжениями в условиях понижения пластичности, под действием низких температур и агрессивных сред.
В оптимальных случаях пластическое состояние металла при статическом нагружении способствует тому, что наличие небольшой несплошности в пределах 5...8% или совершенно не изменяет несущую способность резервуаров, или изменяет ее пропорционально значению где А - площадь рабочего сечения без дефектов; ІоАЇ - суммарная площадь дефектов.
Более сильное отрицательное, влияние оказывают дефекты на работу конструкции в условиях усталостного нагружения. Каждый даже небольшой дефект является концентратором напряжений, источником зарождения первичных трещин, распространяющихся с течением времени.
Проведенный нами анализ контрольно-диагностических работ в ОАО «Роснефть-Туапсенефтепродукт» и ОАО «Роснефть-Туапсинский НПЗ» старых резервуарных парков, эксплуатирующихся более 25 лет (20 лет нормативный срок эксплуатации [91] и новых, эксплуатирующихся до 2 лет, показывает, что наиболее часто встречающиеся дефекты резервуаров можно разделить на две группы: 1) полученные в процессе изготовления элементов конструкции и при производстве строительно-монтажных и сварочных работ (трещины, непрова-ры корня шва, шлаковые включения, газовые поры, подрезы, прожоги, наплывы, несоответствие геометрических размеров швов требованиям (ГОСТ 14771-76; ГОСТ 5264-69) и смещение стыкуемых кромок; 2) появившиеся в процессе эксплуатации резервуаров: усталостные трещины и расслоение металла, коррозионный износ основного металла. Наиболее опасный дефект обеих групп - трещины протяженностью от 20 до 3000 мм. В большинстве случаев они встречаются в вертикальных швах нижней части первого пояса, в местах пересечений вертикальных и горизонтальных швов первого и второго поясов. Если выявленные дефекты разделить по видам сварки, с учетом метода изготовления резервуаров, получается следующая картина: в резервуарах, изготовленных полистовым методом, с использованием в основном ручной сварки, протяженность швов с дефектами со-ставляет 10...20% от их общей длины; в резервуарах, изготовленных индустриальным методом из рулонных заготовок с использованием автоматической сварки, протяженность дефектных швов составляет 5...6%.
Статистика дефектов в элементах сварных конструкций приведена на рисунках 1.8 и 1.9. Изнашивание стальной оболочки определяется методом поверхностной или тонкослойной активации по ГОСТ 23211-80. Таким образом, использование прогрессивного индустриального метода со оружения резервуаров приводит к снижению дефектов в сварочных швах. Не равномерность усиления по длине шва, мастные бугры и седловины при руч ной сварке возникают из-за недостаточной квалификации или состояния свар щика, неправильного выбора режима технологического процесса, неудовле творительного качества электродов (особенно при сварке в вертикальном по ложении). При автоматической сварке эти дефекты встречаются редко и явля ются следствием неполадок в механизме автомата, регулирующем подачу про волоки и скорость сварки. Перечисленные дефекты снижают прочность и ухудшают внешний вид швов. Такие швы, как правило, имеют внутренние де фекты. Один из наиболее распространенных дефектов второй группы - мест ный коррозионный износ корпуса резервуара. Резервуары на промыслах, неф теперерабатывающих заводов и нефтеперекачивающих станциях имеют раз _ личный характер коррозионного разрушения вследствие различия в химиче ском составе нефтепродуктов. О 15 годы Резервуары, хранящие угленосную нефть, имеют значительные коррозионные повреждения в нижней части оболочки, где соленая пластовая вода, осаждающаяся из нефти, вызывает коррозию днища и нижней части первого пояса. В резервуарах, в которых хранятся бензины, сильно и равномерно коррозируют верхние пояса, которые в отличие от нефтяных резервуаров больше контактируют с кислородом воздуха. Нижний пояс и днище подвержены местной коррозии в виде прерывистых полос шириной до 100 мм и длиной от 0,5 до 2 мм. На рисунке 1.9 приведен график зависимости степени износа корпуса резервуара во времени при хранении различных нефтепродуктов, полученный на основании фактических материалов и показывающий предельный срок эксплуатации. Опасность коррозии как фактор, уменьшающий долговечность резервуаров, усугубляется и тем, что продукты коррозии попадают в нефтепродукты и загрязняют их, что приводит к потере их качества [26, 27, 51, 55].
Механические испытания на ударный изгиб
Определение ударной вязкости (KCV) проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 9454-88 на стандартных образцах с V-м концентратором. Испытания проводили при температуре плюс 20С. Форма и размеры образца на ударный изгиб представлена на рисунке 2.2 а, схема вырезки образцов - на рисунке 2.2 б. Места нанесения надреза по линии шва и зоне термического влияния выполняли в соответствии с рисунке 2.2. б.
Твердость измеряли по методу Виккерса, согласно ГОСТ 2999-75 на травленных макрошлифах с четко различимыми контурами металла шва (послойно) и около шовной зоны, при нагрузке 100 Н (НУю). Линия замеров по высоте проходила по оси шва через все слои. Траектория замеров твердости показана на рисунке 2.3.
Металлографические исследования проводили на микрошлифах приготовленных по методике [116]. Шлифы из малоуглеродистых сталей протравливали в 4 % растворе азотной кислоты в спирте для выявления микроструктуры. Исследования микроструктуры образцов сварных соединений проводили на микроскопе МИМ-8М.
Проводили путём отбора проб согласно ГОСТ 7564-89. Для анализа отбирали образцы основного металла и металла зоны сварных швов резервуаров и технологических трубопроводов, эксплуатируемых более 25 лет в условиях контактирования с нефтепродуктами на нефтебазе ОАО «Роснефть-Туапсенефтепродукт».
Стружку для проб брали из нескольких участков сварного шва каждой исследуемой стали, чтобы получить более достоверный результат. Перед взятием проб поверхность наплавленного металла шва тщательно обезжиривали спиртом. Анализ проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 22536-90.
Измерение деформации в дефектных областях наружной поверхности оболочек резервуаров проводили с помощью тензорезисторов по специально
разработанной нами методике. Тензорезисторные преобразователи (тензодатчики) являются до сих пор наиболее распространенным и самым универсальным средством преобразований деформации твердого тела в электрический сигнал [63]. После определения деформаций оболочки в области дефекта по закону Гука подсчитывали численные значения главных напряжений.
Измерения напряженно-деформированного состояния проводили по следующей методике: перед проведением экспериментальных исследований избыточное давление в резервуарных конструкциях снижали до нуля, производили наклейку тензодатчиков на наружной, предварительно очищенной, поверхности оболочки в области расположения дефекта, собирали измерительные приборы в специальной измерительной установке на пневмоколесном ходу по схеме, представленной на рисунке 2.4. Выполняли тарировку тензодатчиков. Тензодатчик с чувствительным элементом показан на рисунке 2.5. Чувствительный элемент 1 имеет выводные концы 2 и прикреплен к бумажной или пленочной подложке 3, которая приклеивается к изношенной и не изношенной наружной поверхности резервуара. Связующий слой (клей, цемент) и подложка 3 выполняют функции первичного механического преобразователя, который воспринимает деформацию объекта и передает ее чувствительному элементу тензорезистора. Чувствительность такого преобразователя зависит от модуля сдвига и толщины слоя материала связующего слоя, включая подложку, а также от жесткости чувствительного элемента.
Выходным сигналом тензорезистора является относительное изменение его омического сопротивления SR/R.
Основной характеристикой тензорезистора служит зависимость выходного сдвига от деформации. Отношение изменения выходного сигнала к вызвав шей его относительной деформации є = —-, направленной вдоль оси тензо элемента, называется коэффициентом тензочувствительности
Экспериментально полученные значения коэффициента тензочувствительности для различных металлов и сплавов при упругом деформировании находятся в пределах от -12 до +6,5, а для полупроводников достигают 1 50-200.
При выборе материала чувствительного элемента учитывали не только его чувствительность, но и малый температурный коэффициент сопротивления, так как изменение сопротивления тензорезистора обусловленное изменением температуры окружающей среды, может оказаться одного порядка с измеряемой деформацией. Вот почему предпочтение следует отдавать проводниковым тензорезисторам, изготовленным из сплавов меди с никелем (константан, эдванс и др.).
Несмотря на то, что чувствительность константановых тензорезисторов сравнительно невелика ( =1,9-2,3), для них характерна высокая стабильность электрических и механических свойств и очень малый температурный коэффициент сопротивления, примерно 2-10" град" .
Для этих датчиков интервал рабочих температур зависит, в основном, от вида связующего. Так, при температуре жидкого азота изменение коэффициента тензочувствительности тносительно его значений в нормальных условиях не превышает 2-3%. Верхняя граница температурного диапазона обычных тензорезисторов, связующим которых служат клеи типа БФ и ВП, достигают 450-490 К; для проведения измерений при температуре 700-900 К чувствительный элемент тензорезистора выполняли из нихромовых сплавов, а связующим - использовали кремнеорганические цементы ВН-12, ВН-15. Сканированная с помощью датчиков информация сначала усиливается с помощью блок-схемы, представленной на рисунке. 2.6 затем регистрируется коммутируется и заносится в ячейки памяти микропроцессора 10 (рисунок 2.4). исунок 2.6 - Блок-схема измерительного каналатензометрической установки
Мостовая цепь тензометрического усилителя на несущей частоте питается от генератора переменного тока частотой 3,5-7 кГц. Сигнал разбаланса моста представляет собой амплитудную модуляцию питающего напряжения тока и после детектирования - фазовым детектором ФД - поступает на вход регистрирующего прибора, например, гальванометра Г.
Достоинством усилителей на несущей частоте является их стабильность и универсальность. Поскольку мостовая цепь питается переменным током, то такие усилители позволяют подключать датчики с индуктивными и резисторны-ми преобразователями. Для начальной балансировки мостовых цепей по активной составляющей служит переменный резистор RQ, а по реактивной составляющей - конденсатор С и переменный резистор Ro. Контроль состояния баланса осуществляется с помощью стрелочного индикатора mA. В процессе проведения измерений полезный сигнал разбаланса моста в этом случае вызван либо изменением реактивного сопротивления индуктивного преобразователя, противления резисторного преобразователя.
Для получения калибровочного сигнала, позволяющего установить масштаб записи измеряемой величины, параллельно одному из плеч моста включается резистор RK, при этом возникает разбаланс моста, пропорциональный известному значению относительного изменения сопротивления резистора R.
Определение направления и величины компонентов главных деформаций может быть выполнено тензорезисторным методом. Тензорезисторы в этом случае компонуют в виде розетки. Последняя состоит из нескольких тензоре-зисторов, смонтированных компактно вблизи исследуемой точки конструкции.
На рисунке 2.7 показаны розетки тензорезисторов, используемые при измерении плоского напряженного состояния (а - прямоугольная; б - дельта-розетка). Поскольку тензорезистор, ориентированный под углом фі к оси у (где х, у - произвольно выбранные ортогональные оси), регистрируют суммарную деформацию
Химический анализ и коррозийная стойкость материала
При исследовании сварных конструкций (резервуаров и технологических рубопроводов) химический анализ основного металла и сварного шва является весьма важным для оценки прочности и надежности работы объектов при влиянии различных эксплуатационных условий. Химический состав основного и присадочного материала в значительной степени определяет механические и служебные свойства сварных соединений объектов. то связано с тем, что в процессе дуговой сварки состав наплавленного металла (сварного шва) изменяется из-за выгорания (окисления) ряда элемен тов присадочного материала, поглощения кислорода, азота и водорода воздуха в случае плохой защиты реакционной зоны и смешений с основным металлом.
В экспериментах отбор проб для химического анализа производился согласно ГОСТ 7564-89. Для анализа были отобраны и исследованы образцы основного металла и сварных соединений длительно (более 25 лет) эксплуатируемых резервуаров и технологических трубопроводов с компонентами нефтепродуктов на нефтебазе ОАО «Роснефть-Туапсенефтепродукт». При изготовлении указанных резервуаров сварные швы были выполнены ручной электродуговой сваркой на стали 09Г2С и 12ГН2МФДЮ. Режимы сварки выбирались по существующей технологии (данные взяты из архивных технологических документов). Стружку для проб брали из нескольких участков сварного шва каждой стали: образец 1 (таблица 2) - стружка шва стали 09Г2С, образец 2 -стружка шва стали 12ГН2МФДЮ.
Результаты химического анализа металла сварных швов приведены в таблице 3.6. аблица 3.6 - Химический анализ металла сварных швов сталей 09Г2С и 12ГН2МФДЮ
Сравнительный химический анализ показал, что при эффективной защите реакционной зоны сварки (отсутствии дефектов в сварном шве) происходит незначительное выгорание легирующих элементов (таблицы 2.1, 3.6).
Химический состав и структура сварного шва существенно влияет на его коррозионную стойкость. Механизм коррозионных разрушений сварных соединений принципиально не отличается от механизма разрушения основного металла. Однако, сварное соединение представляет собой сложную неоднородную термодинамически неустойчивую систему, неоднородность которой вызвана различием химического состава, структуры отдельных зон, геометрии соединения, остаточных напряжений и пластических деформаций в связи с неравномерным нагревом и охлаждением при сварке.
Оценка коррозионной стойкости металлов производилась в соответствии с ГОСТ 9.908-90 по глубинному показателю, который вычисляется по формуле: де у - плотность материала, г/см3; Kw - массовый показатель.
Коррозионную стойкость основного металла и сварных швов резервуаров при хранении различных компонентов нефтепродуктов определяли на основании результатов статистики при эксплуатации объектов в течение 10 лет. Процент износа стальной оболочки резервуаров в зависимости от продолжительности эксплуатации и вида хранимого продукта показан на рисунке 1.10, а зависимость скорости протекания коррозионных процессов от относительной влажной среды - на рисунке 3.4.
Статистический анализ подтверждает, что очагами коррозионного износа металла сварных швов резервуаров и технологических трубопроводов являются дефекты, полученные в процессе изготовления элементов конструкции и при производстве строительно-монтажных и сварочных работ (трещины, не-провары корня шва, шлаковые включения, газовые поры, подрезы, прожоги, наплывы, несоответствие геометрических размеров швов требования ГОСТа и смещение стыкуемых кромок). Повреждение поверхностей резервуаров и тру бопроводов происходит в результате воздействия влажного морского засоленного воздуха, а внутренних - воздействия агрессивной среды.
В работах [67, 72], например, отмечается, что под влиянием коррозионно-активных сред, колебаний температуры, рабочих нагрузок с течением времени изменяется структура и свойства эксплуатируемого металла в сравнении с исходными характеристиками. При этом изменение структуры в основном связано с субструктурой матрицы сталей. Изменение механических свойств сопровождается повышением показателей прочности твердости (cre, 70і2, НВ), снижением вязкопластических характеристик (S, у/) и показателей сопротивления хрупкому разрушению. Анализ результатов, приведенных работ [42, 44, 45] показывает, что в настоящее время развивается концепция о губительном влиянии факторов длительной эксплуатации на материалы объектов (трубопроводов и резервуаров). На этом основании делаются выводы об ухудшении со временем служебных характеристик металла и повышении аварийности трубопроводов.
Однако, проведенный нами статистический анализ показывают, что зависимость интенсивности отказов резервуаров и технологических трубопроводов зависит от срока их эксплуатации и характеризуется периодами приработки, нормальной работы и износа. В первом периоде появление отказов обусловлено конструктивно-технологическими дефектами и дефектами при производстве строительно-монтажных и сварочных работ (рисунок 1.12). В период нормальной работы интенсивность отказов минимальна и практически постоянна. В период износа интенсивность отказов возрастает, что обусловлено многофакторным воздействием на основной металл и, особенно на металл сварного шва (рисунок 1.13). Такой вывод подтверждается в работах [93, 96, 98].
Следует отметить, что влияние фактора старения металла на служебные характеристики не вызывает сомнений. Однако роль процессов старения металла не подтверждает мнение об увеличении количества отказов резервуаров и технологических трубопроводов после 15-25 лет эксплуатации вследствие падения показателей пластичности и вязкости металла.
Обработка статистических данных по отказам и авариям резервуаров и трубопроводов, длительно работающих с компонентами нефтепродуктов, показывает [13, 22, 26, 27], что наиболее заметные изменения физико-механических свойств, определяющих сопротивление разрушению, происходят в локальных зонах концентрации пластических деформаций, накапливающихся в процессе технологического передела и эксплуатации (дефекты, местные искажения формы в основном металле и, особенно, в сварных соединениях). Интенсивные пластические деформации, развивающиеся в зонах перенапряжений из-за осадки грунта, температурных и других воздействий, приводящих к изменению положения резервуаров, также могут снижать запас пластичности и вязкости металла и, кроме этого, усиливать его склонность к охрупчиванию при дальнейшей эксплуатации объекта.
Разработка рекомендаций к методам проектирования резервуа ров для нефтепродуктов
Основной задачей теории расчета тонкостенных пространственных сооружений и в частности, оболочек нефтехранилищ и трубопроводов, подвер женных тому или иному воздействию, является обеспечение надежной работы конструкции в процессе эксплуатации. В процессе проектирования это достигается путем рационального подбора материалов оболочки и толщины стенки резервуаров и трубопроводов при заданных условиях работы конструкции. Нормативное значение толщины стенки оболочек нефтехранилищ и трубопроводов может быть определена из расчета на прочность, устойчивость или жесткость на основе использования метода предельных состояний, разработанного для проектирования строительных конструкций в середине 20-го столетия [55, 95, 10] Российскими учеными: Н. С. Стрелецким, В. М. Келдышем, А.А. Бать-ем, А.Р. Ржаницыным и др.
Под предельными состояниями понимаются такие, при которых конструкция перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при возведении.
Расчет оболочечных конструкций по первому предельному состоянию (по несущей способности) сводится к выполнению условий прочности и устойчивости [79]: де а - максимальная величина расчетного напряжения в оболочке; m 1 - коэффициент условий работы элементов конструкции; п 1 - коэффициент перегрузки; kj 1 - коэффициент надежности по материалу; кн 1 - коэффициент надежности по назначению; RH - нормативное сопротивление стали. Проверка несущей способности песчаных и грунтовых оснований под ре-зервуарными конструкциями сводится к выполнению условия: асчетная и предельно допускаемая величина осадки основания при действии нагрузки со стороны элементов конструкции резервуаров.
За нормативное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу при расчете резервуаров и трубопроводов принимают либо предел текучести (Rj і = Op); либо временное сопротивление разрушению на разрыв (RH = ствр); а і и Стг соответственно расчётные продольное и кольцевое напряжения; акі и аК2 - соответственно нижние критические сжимающие продольное и кольцевое напряжения. При двуосном напряженно-деформированном состоянии оболочек резервуаров и трубопроводов оценку их прочности в наиболее опасной точке целесообразно проводить по энергетической теории, которая для стальных листовых конструкций дает результаты, наиболее близкие к экспериментальным данным [79]: очности (4.13) совокупность указанных коэффициентов должны обеспечивать элементам конструкций необходимый коэффициент запаса прочности оболочки резервуара.
Но численные значения коэффициентов в правой части формулы (4.17) не постоянны по времени и обладают изменчивостью, поэтому их принимают в расчете по некоторым средним значениям.
Степень изменчивости устанавливается по статическим данным изменения величины нагрузки в период эксплуатации или по данным результатов лабораторных испытаний на прочность образцов данного материала. Однако, по нашему мнению, проектирование резервуаров по существующему методу не позволяет в практическом его приложении оценить степень надежности этих конструкций.
Однако, рассматривая условия (4.13) - (4.15), не наступление предельных состояний можно интерпретировать как показатель абсолютной надёжности системы с вероятностью достоверного события, равной единице, независимо от того, насколько левые части этих соотношений меньше правых.
Допустим, что, в соответствии с (4.13), одинаково абсолютно надёжной будет конструкция при расчётном сопротивлении стали Rp = 21 МПа, если расчётные напряжения окажутся равными последовательно а = 18 МПа и а = 20 МПа. В обоих случаях будет иметь место соотношение о Rp. Но, совершенно очевидно, из чисто логических соображений, что при а = 18 МПа конструкция будет обладать более низким уровнем надёжности, чем при а = 2 0 МПа.
Таким образом, наступление предельного состояния рассматриваемый метод трактует как состояние, при котором вероятность надежной работы конструкции равна нулю. Это положение само по себе справедливо, но при его принятии надёжность конструкции в вероятностном истолковании претерпевает скачкообразное изменение от 1 до 0 в случае даже незначительного изменения, а в условиях их предшествующей близости по величине к Rp. Так, например, возрастание расчётного напряжения с а = 20,9 МПа до а = 21 МПа приводит к тому, что уровень надёжности падает с 1 до 0.
По нашему мнению, такая трактовка метода предельных состояний, исходя из вероятностно-статистической природы надежности, представляется в теоретическом отношении весьма уязвимой, так как она противоречит принципу непрерывности уменьшения уровня надёжности при плавном возрастании левых частей соотношений (4.13) - (4.15), и постоянстве их правых частей.
Существенным недостатком нормативного метода является также и необходимость введения при расчётах ряда постоянных коэффициентов, назначаемых исходя из учёта статистической изменчивости физико-механических свойств материалов, оснований, внешних нагрузок и воздействий. Введение некоторых коэффициентов не даёт возможности оценить влияние изменения их количественных значений на окончательный уровень надёжности резервуар-ных и трубопроводных конструкций. Между тем, эта оценка является очень важной не только с теоретической, но и с практической точек зрения.
В соответствии с современными представлениями методов предельных состояний и теории надёжности за меру надёжности конструкции примем вероятность не наступления ни одного из возможных предельных состояний (4.9), (4.13 - 4.15) в заданных условиях эксплуатации в течение всего срока хранения нефтепродукта.
Обозначим указанную вероятность через Рн. Тогда надёжность Н как вероятностная характеристика выразится соотношением
Так как «надёжность» и «ненадёжность» являются противоположными событиями и образуют полную группу событий, то «ненадёжность» Н определится из равенства де Н - вероятность наступления одного из возможных предельных состояний конструкции.
В общем случае все предельные состояния имеют корреляционные связи, но практически не являются равноопасными [40, 41]. Кроме того, для механических систем, в которых элементы характеризуются высоким уровнем надёжности (а именно к таким системам относятся технологические объекты резервуарных парков), корреляционными связями между предельными состояниями можно пренебречь. Это связано с тем, что погрешность из-за не учета корреляции отказов по различным предельным состояниям не превышает точности расчёта и самих исходных данных даже при коэффициентах корреляции, близких к предельным [54]. Поэтому за расчётную надёжность Нр можно принять минимальное значение надёжности из всех возможных, получаемых для различных предельных состояний, то есть:
