Введение к работе
Актуальность темы исследования. Резервуарные парки являются одной из важнейших составляющих системы трубопроводного транспорта в целом.
Исследованиям механизма коррозии металлов и вопросам зашиты резервуаров и трубопроводов от коррозии посвящены труды отечественных ученых Гутмана Э.М., Абдулина И.Г., Ажогина Ф.Ф., Бородавкина П.П., Буренина В.А., Гоника А.А., Худякова М.А., Зиневича A.M., Тарасенко А.А., Яковлева А.И. и других, а также зарубежных исследователей Кариуса К., Эванса У.Р., Улига Х.Х и др.
В настоящее время, в системе трубопроводного транспорта нефти постоянно находится в ремонте около 20 % всех резервуаров, а оставшийся ре-зервуарный парк эксплуатируется с ограничением уровня заполнения в среднем на 15 %. Таким образом, по причине низкой надежности в системе трубопроводного транспорта нефти используется около 70 % емкости резерву-арного парка, что при недостаточной резервуарной обеспеченности существенно снижает эффективность системы трубопроводного транспорта в целом.
В последних научных публикациях установлена тенденция увеличения числа внезапных отказов РВС, удорожание ремонтов и увеличение объема ремонтных работ. Исследования показывают, что основной причиной столь резкого снижения надежности и эффективности РВС является изношенность основных фондов. Например, в ОАО «Сибнефтепровод» свыше 20 лет эксплуатируются 74 резервуара (49,7 %) общей емкостью 1110 тыс. м\
Отличительной чертой добываемых в настоящее время нефтей является большое содержание в них сернистых соединений, хлоридов, карбонатов, механических примесей и воды. Основной объем нефти добывается методом поддержания пластового давления (ППД) с применением заводнения нефтя-
ных пластов различными поверхностными водами. Повышение нефтеотдачи путем заводнения пластов без стерилизации закачиваемых вод приводит к весьма опасной ситуации — заражению пластов и нефтяных скважин корро-зионно-опасными микроорганизмам, такими как сульфатовосстанавливаю-щие, тионовые, углеводородоокисляющие бактерии и др. При заводнении, попадая через системы ППД в нефтяные пласты, бактерии формируют свой биоценоз, который со временем в значительных количествах продуцирует биогенный сероводород, вызывающий коррозию всего нефтепромыслового оборудования.
Особую тревогу вызывают коррозионные разрушения нижних поясов у резервуаров для хранения нефтепродуктов. Положение осложняется еще и тем, что на нефтяных месторождениях Урала, Поволжья и Западной Сибири большинство РВС практически не имеют защитных покрытий и изготовлены из стали 09Г2С, которая характеризуется низкой коррозионной стойкостью.
Результаты бактериологического анализа, выполненного в резервуар-ных парках Нижневартовского УМН показали, что в 1996 г. многие резервуары были заражены микрофлорой: Самотлорский парк — на 92 %, Урьев-ский — на 96 %, Нижневартовский — на 76 %.
Нефти, содержащие большое количество серы (сернистые и высокосернистые нефти), являются весьма агрессивными средами, вызывающими коррозионные разрушения резервуаров изнутри.
Первой подготовкой нефтей к переработке является так называемый холодный отстой в резервуарах, расположенных на промыслах. Это позволяет значительно снизить содержание воды и соли. При хранении нефти в стальных резервуарах происходит отстой. Вода, содержащаяся в нефти, собирается в нижней части резервуара, образуя так называемый слой подтоварной воды, содержащей соли и сернистые соединения.
Верхние пояса и кровля стальных резервуаров подвергаются коррозии под воздействием паровоздушной среды. Вопросы коррозии и защиты верх-
них поясов и кровли стальных резервуаров подробно освещены в литературе и в данной работе не рассматриваются.
Как известно, образование подтоварной воды в резервуарах с сернистой нефтью приводит к появлению коррозии, носящей электрохимический характер. При этом необходимо отметить, что составные части нефти — парафины, углеводороды ароматические и непредельные — коррозионно неактивны к металлам вообще и к железу в частности. Например, резервуары без внутренней антикоррозионной защиты, используемые для хранения только малосернистой нефти Шаимского месторождения и эксплуатируемые на НПС «Тюмень-Ш» уже более 30 лет на нефтепроводе Шаим-Тюмень, совершенно не имеют признаков действия какой-либо коррозии на внутренней поверхности стенки и днища.
Опыт эксплуатации резервуаров предприятий трубопроводного транспорта Западной Сибири показал, что коррозионные повреждения нижних поясов и днищ резервуаров наблюдаются весьма часто и уже через 8-10 лет могут привести к сквозным дефектам, при благоприятных для развития коррозии условиях (агрессивные примеси в нефти, повышенное содержание воды и т.п.).
Сквозные дефекты днищ и стенок резервуаров, образовавшиеся в результате коррозии металлоконструкции, могут привести к потере нефти и нефтепродуктов, при этом нарушается нормальная работа резервуаров и создаются условия возникновения аварийных ситуаций.
Один из способов борьбы с коррозией — это применение антикоррозионной защиты. До недавнего времени в качестве защитного покрытия внутренней поверхности стенки и днища РВС широко использовался материал "Спрут", который на практике оказался низкоэффективным.
В настоящее время большое внимание уделяется антикоррозионной защите резервуаров, но как показывает опыт эксплуатации, возрастает доля ремонтов, связанных с устранением коррозионных повреждений. Это связа-
но с тем, что при сооружении резервуаров антикоррозионной защиты внутренней поверхности стенки и днища не было, либо в ее в качестве использовался материал "Спрут", нанесение которого предполагало высокое качество подготовки поверхности. Однако эти требования зачастую не выполнялись, что снижало эффективность покрытия, а в некоторых случаях, даже увеличивало скорость коррозии, вследствие щелевого эффекта. Поэтому значительная часть ремонтов сводится к устранению коррозионных повреждений. На рис. 1 приведено распределение затрат на капитальный ремонт по различным статьям.
Частичное обследование
Зачистка 9,8%
Пескоструйная зачистка и комплексное обследование 4,5%
Отмостк; 7,6%
Покраска. 5,3%
Гидроиспытани, 2,1%
Орошение t
1,9%
Антикоррозионная защита 26,2%
Замена оборудования 0,7%
Замена
металлоконструкций
32.7%
Рис. 1. Распределение затрат на капитальный ремонт.
Анализируя приведенные данные, можно сделать вывод, что затраты на замену металлоконструкций сопоставимы с затратами на мероприятия по антикоррозионной защите (32,7 и 26.2 %. соответственно). Ремонт коррозионных повреждений, как правило, выполняется заменой металлоконструкций РВС, что требует значительных материальных и трудовых вложений. Например, за 1998 год был выполнен ремонт 11 резервуаров с заменой части первого пояса стенки, при этом затраты только на металлопрокат в среднем
составили свыше 1,5 млн. руб. на 1 РВС. Поэтому совершенствование методов ремонта резервуаров с коррозионными повреждениями является актуальной задачей.
Практика выполнения ремонтов такова, что практически в 100 % случаев приходится выполнять ремонт коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров. По существующим нормативам ремонт подобных дефектов выполняют методом полной, либо частичной замены металлоконструкций, поскольку применение наплавки при ремонте резервуаров не предусмотрено действующей в настоящее время нормативно-технической документацией.
Использование сварки для ремонта резервуаров вызывает серьезные возражения, поскольку считается, что сварка усиливает склонность металла к хрупкому разрушению. Анализ разрушений резервуаров показал, что хрупкие трещины в конструкциях начинаются, как правило, от краев сварных швов, в особенности от швов, имеющих дефекты в виде подрезов, непрова-ров и неметаллических включений. Проявлению склонности к хрупкому разрушению способствуют остаточные внутренние напряжения. Монолитность сварной конструкции приводит к тому, что трещина, зародившаяся в одном элементе, легко переходит на сопряженные элементы. Поэтому научное обоснование наплавки как метода ремонта резервуаров, пораженных коррозией является актуальной задачей при ремонте РВС.
Целью работы является экспериментальное исследование влияния электродуговой наплавки на свойства металла и обоснование возможности ее применения для ремонта коррозионных повреждений металлоконструкций вертикальных стальных резервуаров, эксплуатируемых в системе трубопроводного транспорта Западно-Сибирского региона.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
Экспериментально получить зависимости геометрических параметров и пространственного положения коррозионных повреждений от глубины их поражения.
-
Разработать достоверные теоретические модели развития сплошной и язвенной коррозии, позволяющие выполнять долгосрочные прогнозы.
-
Исследовать влияния электродуговой наплавки на изменение механических свойств металла в натурных и лабораторных условиях.
-
Экспериментально исследовать влияние глубины наплавки на величину ударной вязкости и работу распространения трещины при различных температурах.
-
Выполнить промышленное внедрение результатов исследований и разработать практические рекомендаций по ремонту коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров методом электродуговой наплавки.
Научная новизна работы заключается в результатах выполненных промышленных и лабораторных экспериментов, впервые полученных автором. Основными из них являются:
выполнен статистический анализ результатов измерения коррозионных повреждений резервуаров системы трубопроводного транспорта Западной Сибири, установлены зависимости геометрических размеров и месторасположения коррозионных язв от глубины поражения;
установлено и изучено влияние глубины наплавки на изменение величины ударной вязкости отремонтированного участка и на работу распространения трещины;
установлены зависимости свойств наплавленного металла от температуры и условий эксплуатации, исследовано влияние наплавки на изменение механических свойств металла;
рекомендованы режимы электродуговой наплавки, позволяющие исключить возможность хрупкого разрушения конструкции в интервале темпе-
ратур эксплуатации, регламентированных нормативно-технической документацией.
Практическая ценность и реализация результатов исследовании. Научно обосновано применение электродуговой наплавки — как метода ремонта коррозионных повреждений, позволяющего значительно снизить трудоемкость и стоимость работ при ремонте резервуаров.
По результатам исследований разработан проект руководящего документа, регламентирующего применение наплавки при ремонте коррозионных повреждений металлоконструкций резервуаров.
Разработано программное обеспечение для определения концентрации напряжений в коррозионных язвах с учетом изменения номинальных напряжений по высоте стенки.
Выполнено опытно-промышленное внедрение технологии ремонта коррозионных повреждений наплавкой при капитальном ремонте РВС-20000 №4 ЛПДС «Западный Сургут» и получен подтвержденный экономический эффект в размере 233252 рубля.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» в г. Тюмени, 1996 г.; региональной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» в г. Тюмени, 1997 г.; XIV Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» в г. Ижевске, 1998 г.; 1-ой международной научно-практической конференции «Безопасность транспортных систем» в г. Самаре, 1998 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем
работы составляет 200 страниц, в том числе 73 рисунка, 24 таблицы, список литературы содержит 124 наименований, в том числе 22 — на иностранных языках.