Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях одновремен ного дейтвия механических нагрузок 8
1.1. Объект исследования 8
1.2. Условия эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов 30
Выводы по разделу 38
2. Математическая людель повреждаемости конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов при одновременном действии механических нагрузок, коррозии и повышенных температур 39
2.1. Основные факторы повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов . 39
2.2. Кинетическое уравнение повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохими-ческой коррозии и повышенных температур. 54
Выводы по разделу 75
3. Исследования влияния повышенной температуры на характе ристики несущей способности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов 76
3.1. Оценка температурного коэффициента снижения несущей способности конструктивных элементов . ^, 76
3.2. Влияние повышенных температур на деформационное старения листовых сталей, предназначенных для изготовления конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов. 82
3.3. Оценка трещиностойкости конструктивных элементов при повышенных температурах
Выводы по разделу 101
Разработка методов расчета долговечности и ресурса конструктивных элементов нефтегазового оборудования и тру бопроводов вусювгшх одновременного действия механических напряжений, коррозионных рабочих сред и повышенных тем ператур 102
Особенности расчета на прочность конструктивных элементов при повышенных температурах 102
Влияние механохимической коррозии на долговечность кон структивных элементов 119
Анализ кинетики изменений напряжений и долговечности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов, работающих в условиях одновременного дей
ствия механических напряжений, коррозионных рабочих сред и повышенных температур.
Выводы по разделу 122
Библиографический список использованной литературы.
- Условия эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов
- Основные факторы повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов
- Кинетическое уравнение повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохими-ческой коррозии и повышенных температур.
- Оценка температурного коэффициента снижения несущей способности конструктивных элементов
Введение к работе
Задача обеспечения безопасности эксплуатации в условиях продолжающегося физического и морального износа оборудования и трубопроводов на опасных производственных объектах Российской Федерации обусловливает повышение роли расчетных методов определения остаточного ресурса. Использование оборудования и трубопроводов работающих с взрыво- , пожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении, повышенных и высоких температурах, срок эксплуатации которых значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность нарушения их безопасного состояния. Нарушение прочности и герметичности могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока.
Современное состояние развития техники и технологий достигло такого уровня, что проблема обеспечения промышленной безопасности должна решаться на государственном и межгосударственном уровнях. Сознавая важность проблемы, правительство Российской Федерации принимает меры для усиления государственной политики в области обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов и законодательно устанавливает современные принципы государственного регулирования промышленной безопасности. Анализ аварийности и травматизма на предприятиях нефтяной и газовой промышленности показывает, что около 30 % аварий связано с техническими устройствами. Более детальный анализ показывает, что основными причинами отказов явились либо медленно прогрессирующие повреждения (типа коррозионного или износа), либо повреждения в результате некачественного ремонта, применения несоответствующих условий эксплуатации или неисправных комплектующих изделий, нарушения технологии сварки и др.
Оценка и прогнозирование технического состояния оборудования в настоящее врЄх\ія осуществляются на основе расчета долговечности, на базе данных технического обследования неразрушающими методами контроля. Для выполнения расчетов необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации или текущей диаграммы нагружения. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому расчет долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность. Существенным недостатком современных методологий при оценки остаточного ресурса оборудования является отсутствие адекватных критериев и моделей для описания процессов повреждаемости металла оборудования и трубопроводов при эксплуатации с учетом воздействия коррозионных рабочих сред, нестационарных нагрузок и температуры.
Многие виды нефтегазохимического оборудования, в том числе и работающие за пределами прочности ресурса, эксплуатируются в условиях действия высокотемпературных коррозионных рабочих сред, вызывающих одновременно проявление большинства известных факторов повреждаемости материала.
В этих условиях часто возникают проблемы интеграции факторов механических отказов такого оборудования и, тем более, в расчетной оценке их прогнозируемого (при проектировании).
Одним из немаловажных факторов нарушения работоспособности оборудования может явиться коррозия, усиливаемая действием механических напряжений и деформаций ползучести (высокотемпературная механохими-ческая коррозия).
Работа направлена на изучение актуальной проблемы нарушения и обеспечение работоспособности нефтегазохимического оборудования с учетом коррозии материала.
Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-технических работ и Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», а также в ходе решения комплексной научно-технической программы «Нефть и газ Западной Сибири» и в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» - ФЦНТППП «Безопасность» (2001-2003 г.).
Цель работы — обеспечение работоспособности и безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов регламентацией прогнозируемого и остаточного ресурсов, определяемых на основе установленных закономерностей долговечности их конструктивных элементов в условиях одновременного действия коррозии и повышенных температур.
Задачи исследования:
- разработка математической модели повреждаемости конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов при одновременном действии коррозии и повышенных температур;
- оценка коэффициентов снижения несущей способности и трещино-стойкости конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом деформационного старения и повышенных температур;
- исследование кинетики изменения напряженного состояния и долговечности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохимической коррозии при нормальных и повышенных температурах.
Научная новизна:
- предложено кинетическое уравнение для оценки скорости повреждаемости конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов при одновременном воздействии длительных статических нагрузок, коррозионных рабочих сред и повышенных температур;
-разработаны методы расчетной оценки долговечности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов, работающих при повышенных температурах под давлением коррозионных рабочих сред.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что предложенные методы расчета долговечности конструктивных элементов с учетом особенностей взаимодействия механических напряжений и коррозионных рабочих сред с повышенной температурой позволяют расчетным путем устанавливать безопасный срок эксплуатации действующего нефтегазового оборудования и трубопроводов.
На защиту выносятся методы расчета характеристик безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов, работающих в условиях механохимической коррозии и повышенных температур.
Условия эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов
Нефтегазовое оборудование и трубопроводы работают в условиях действия механических напряжений, высоких температур, природных и технологических коррозионно-активных сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Преобладающая часть парка нефтегазового оборудования трубопроводов имеет поверхностный контакт с рабочей средой, эксплуатируется в очень жестких режимах - в условиях действия высоких давлений и температур. Современные технологические процессы ориентированы на углубление переработки нефтяного сырья. Увеличение выхода светлых нефтепродуктов связано с повышением роли деструктивных процессов переработки нефти, что, в свою очередь, ведет к интенсификации технологических процессов и усложнению конструкции оборудования. В последние годы в переработку вовлекаются все большие объемы нефтей с повышенным содержанием сероводорода, минеральных солей и газоконденсатов с высоким содержанием агрессивных компонентов. Это обстоятельство значительно усложняет условия эксплуатации оборудования, вызывая интенсивное развитие различных коррозионных процессов. Коррозионная активность технологических сред является одним из основных факторов, снижающих надежность металлических конструкций и способствующих зарождению трещин [106, 107]. Агрессивное воздействие рабочих сред обусловлено обводненностью нефти, наличием в ней кислых компонентов, сернистых и хлористых соединений, а так же применением в процессе подготовки и переработки коррози-онно-активных реагентов. Как показали результаты диагностирования 59 резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов (годы постройки 1975 - 80 г.г., объем резервуаров 20 000 м3), при суммарном содержании в нефти воды, хлора и серы более 3 % коррозионное растрескивание имело место во всех резервуарах, эксплуатировавшихся более 15 лет [86]. Особую опасность представляет разрушение оборудования в условиях действия водородеодер-жащих и водородвыделяющих сред.
Наиболее интенсивному коррозионному разрушению подвержено оборудование, испытывающее одновременное или последовательное воздействие нескольких коррозионно-активных сред. В результате расщепления хлористого магния, содержащегося в пластовой воде, образуется хлористый водород, вызывающий интенсивную коррозию теплообменников, электрогид-раторов, сепараторов, холодильников, колонных аппаратов. Значительно усиливаются процессы коррозии при введении в сырье водяного пара. Со держание в нефтях нафтеновых кислот способствует коррозии печных труб. Термодеструктивные процессы, вследствие дополнительного расщепления при высоких температурах, повышают степень агрессивного воздействия продуктов. Агрессивными компонентами продуктов термокаталитических процессов являются сероводород, хлористый водород, вода и др., образующиеся в результате каталитической деструкции. Они способствуют, в зависимости от марки стали, коррозионному растрескиванию, водородному ох-рупчиванию, обезуглероживанию. Проблема повышения долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья рассматривается в работах Кузеева И.Р. [38]. Оборудование газофракционирующих установок - абсорберы, трубчатые печи, теплообменники, подогреватели-кипятильники и др. - подвергаются коррозионному расслоению металла вследствие наводораживающего действия дренажных вод, содержащих сероводород. При очистке масляного сырья избирательными растворителями характерна коррозия металлов в воднокре-зольных смесях с восстановлением растворенного кислорода. Коррозионную активность проявляют водный раствор фурфурола, карбамидные среды и др. Внедрение системы оборотного водоснабжения сопровождается интенсификацией коррозионных разрушений оборудования, конденсации и охлаждения [24 и др.].
Практически все процессы, связанные с воздействием рабочих сред, ускоряются под действием механических напряжений. Явление усиления коррозии металла под действием механических напряжений называют меха-нохимическим эффектом. Наиболее сильно механохимический эффект проявляется в режиме динамического пластического течения, который реализуется в областях перенапряжения металла при повторно-статических нагруз ках. Результаты исследования механохимической повреждаемости оборудования представлены в работах Зайнуллина Р.С. [24].
Основные факторы повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов
В последние годы в нефтегазовой отрасли сформировалась тенденция к увеличению единичной мощности технологического оборудования, его компактному размещению, усложнению аппаратурного оформления и систем управления. Это неизбежно ведет к росту потенциальной опасности возможных аварии. В целом, для современной промышленности характерна концентрация опасностей. В Российской Федерации чрезвычайные ситуации, связанные с взрывами, пожарами и другими авариями техногенного происхождения, могут стать еще более частыми, так как основные фонды производства постепенно приходят в неудовлетворительное состояние. Во многом это связано с изменением объектов инвестиционной деятельности, организационно-правовых форм хозяйствования, нарушения горизонтальных и вертикальных экономических взаимодействий. Непрерывно сокращается ввод в эксплуатацию нового оборудования.
Основные причины возникновения аварийных ситуаций на нефтеперерабатывающих заводах представлены на рисунке 2.1 [39]. Структура этих показателей из года в год изменяется незначительно. В целом, причины возникновения аварийных ситуаций на нефтеперерабатывающих заводах можно разделить на три группы: - отказы (неполадки) оборудования и несовершенство автоматики; - внешние воздействия природного и техногенного характера; - ошибочные действия персонала.
По данным Госгортехнадзора РФ в 1998 году на подконтрольных химическому надзору предприятиях и объектах произошло 38 аварий, 43 человека травмированы, из них 12 - получили смертельные травмы. По сравнению с 1997 годом аварийность выросла на 8 % (с 35 до 38).
К наиболее крупным относятся аварии, происшедшие в ОАО «Московский НПЗ», ОАО «Щекиназот», АО «Ново-Уфимский НПЗ» (АО НУПЗ). По результатам проведенных химическим надзором проверок состояния оборудования, работающего под давлением (более 121 тыс. ед.), запрещена эксплуатация 2634 сосудов, в том числе из-за нарушения сроков освидетельствования - 1399 (53 %), выработки установленных сроков эксплуатации - 1029 (39 %), наличия дефектов - 206 (8 %). Около 25 тыс. сосудов (47,4 %), работающих под давлением, подверглись диагностированию, из них допущены к дальнейшей эксплуатации более 22 тыс. (91 %), направлены в ремонт около 600 (2,3 %), отбраковано 220 сосудов. Во взрывопожароопасных производствах предприятий около 28 тыс. сосудов (52,6 %), работающих под давлением, отработали нормативные сроки службы и не имеют объективной оценки возможности их дальнейшей эксплуатации. На предприятиях Красноярского края проведена диагностика лишь 10 % сосудов, подлежащих экспертизе, Тюменской области -16 %, Ростовской области-19% [20].
Статистика показывает, что только за 2000 и 2001 годы на предприятиях нефтепереработки зарегистрировано более 200 некатегорийных аварий и крупных производственных неполадок. Многие из них привели к аварийным остановкам и могли перерасти в крупные аварии с тяжелыми последствиями [106].
Отечественная промышленность в ближайшие годы пока не в состоянии восполнить объекты, выводимые из эксплуатации по проектам и авариям. Аварии и другие нарушения нормального хода производства являются не единичными случаями и становятся проблемой, в решении которой заинтересовано все общество. По сведениям Государственной научно-технической программы «Безопасность» число крупных аварий и катастроф, происходивших за последние 40 лет, увеличилось по экспоненциальному закону. Специалисты, участвующие в разработке этой программы, делают весьма пессимистический прогноз, что в течение ближайших пяти лет потери от аварий и катастроф возрастут в 24 раза и будут измеряться цифрой 1-2 миллиарда рублей [39]. Поэтому предотвращение техногенных катастроф, снижение тяжести их последствий становится все более важной государственной задачей в Российской Федерации.
Республика Башкортостан является одним из крупнейших центров нефтепереработки России. В столице - городе Уфе - расположены предприятия АО «Уфанефгехим», АО «Новойл» (Ново-Уфимский НПЗ), АО «Уфимский НПЗ». Их современные мощности по первичной переработке нефти выражаются соответственно в 8, 8,5 и 6 млн тонн переработанного сырья ежегодно. Всего на предприятиях г. Уфы числится в эксплуатации около 220 технологических установок, находящихся под контролем Башкирского управления ГТТН РФ.
Кинетическое уравнение повреждаемости металла нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохими-ческой коррозии и повышенных температур.
В начале рассмотрим некоторые физические и феномелогические представления о повреждаемости элементов на микро- и макро- уровнях [56-60].
Последние достижения в области физики прочности и пластичности поставили перед механикой сплошных сред принципиально новые задачи. Одна из главных - надежное прогнозирование ресурса оборудования. Решение этих вопросов в значительной степени связано с пониманием физической природы разрушения и деформирования твердых тел. Поэтому в последние годы появились работы, направленные на создание моделей деформирования-разрушения конструкционных материалов, пригодных для практического применения в задачах оценки текущего состояния и прогнозирования ресурса оборудования. Известно, что механические и электрофизические свойства материалов «закладываются» на уровне структуры. Исследование поведения материалов в экстремальных условиях предполагает установление взаимосвязи структурных, механических и электрофизических свойств твердых тел, Определяющая роль в процессах деформирования и разрушения принадлежит дефектам структуры твердых тел. Характерной особенностью современных моделей деформирования-разрушения является введение обобщенного интегрального параметра, позволяющего оценить уровень повреж-денности материала оборудования.
При описании деформирования и разрушения твердых тел применяются подходы, основанные на дислокационных представлениях. Но взаимодействие между дефектами в этом случае предполагается достаточно слабым и не порождает новых проявлений в реакции системы дислокаций, характерных для пластичности и разрушения. При анализе же сильно взаимодействующих ансамблей дислокаций на первый план выступают коллективные эффекты, слабо зависящие от свойств изолированных дислокаций. Интенсивное накопление дислокаций на начальной стадии деформирования обусловливает появление сдвиговой неустойчивости в скоплениях дислокаций, которую рассматривают как структурный фазовый переход, сопровождающийся формированием ячеистой структуры. Возможность возникновения таких структур связана с образованием при деформации сдвигоустойчивых дефектных фаз, что предпочтительнее стохастического распределения деформационных дефектов. В соответствии с закономерностями поведения неравновесных систем деформируемый поликристалл представляет собой систему, в которой в ходе деформации возникает диссипативная структура, способная эффективнее осуществлять пластическое течение в макроскопических объемах по сравнению с движением отдельных дислокаций [58].
Трудности использования дислокационных моделей возникают также при решении задач не чисто дислокационного характера. Так, в ультрамелкозернистых материалах доминирующий структурный элемент - границы зерен, которые движутся в поле механических напряжений, обеспечивая макроскопическое течение. В целом же для структурно-неоднородного тела условие сплошности не выполняется, поэтому необходимо введение в качестве параметров описания макро- и микродефектов трансляционного и поворотного типов. Реальное металлическое тело является структурно-неоднородным, т. е. содержит дефекты структуры, для моделирования которых используется континуальная теория дефектов, когда их ансамбль воспринимается как некоторый крупномасштабный элементарный дефект, обладающий свойствами ансамбля. Деформирование и разрушение металлов сопровождается множественным зарождением и ростом микротрещин. Общность этих процессов при статическом, динамическом и циклическом видах нагружений свидетельствует о необходимости развития описаний с единых позиций и рассмотрения его в обязательной взаимосвязи с эволюцией дефектов. Разрушение всегда осуществляется за счет структурных неоднородно-стей или несовершенств. Как правило, реализуются два характерных случая зарождения микротрещин: на элементах структуры, существующих до нача 56
ла деформации, и вследствие создания новых структурных неоднородностеи. Микротрещины зарождаются в металлах в результате пластической деформации и их появлению предшествует этап подготовки критической структуры. Микротрещины в деформируемых металлах всегда наблюдаются в местах локализации деформации - границах блоков, следах скольжения, в участках с повышенной плотностью дислокаций. Предшествуя разрушению, локализация деформации создает перенапряжение, способствующее зарождению микротрещин [56].
Процессы накопления и роста микротрещин в зависимости от структуры и вида разрушения имеют свои особенности. Разрушение, сопровождающееся существенными пластическими деформациями, характеризуется преимущественным ростом концентрации микротрещин; для материалов, разрушающихся квазихрупким образом, пропорционально деформации растут, в основном, размеры микротрещин. Образование последних в сильно разориентированных границах, содержащих дислокационные или дисклина-ционные несоответствия и имеющих повышенную плотность энергии, свидетельствует о том, что они являются зародышами микротрещин. Размер микротрещин должен определяться, помимо структурных, также энергетическими факторами: появление микротрещины конкретного размера должно быть энергетически выгодным. Формирование зародышей микротрещин - энергетически выделенных и пространственно локализованных областей - может происходить в ходе пластической деформации, сопровождающейся фрагментацией и созданием критической структуры. Последнее можно связать с понятием критического зародыша микротрещины - области скопления дефектов (дислокаций, дисклинаций), раскрывающейся в микротрещину при данном уровне напряжений.
Оценка температурного коэффициента снижения несущей способности конструктивных элементов
С повышением температуры механические свойства материалов изменяются: пределы прочности, пропорциональности и текучести, а также модуль упругости убывают; пластичность обычно увеличивается, но при некоторых температурах она может и понижаться [21, 26, 33, 42, 68].
Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. При повышенных температурах, а для некоторых материалов (типа полимеров) даже при нормальной, статическая прочность зависит от длительности нагружения, так как с течением времени могут меняться механические свойства материала, размеры детали и распределение в ней напряжений. Поэтому при высоких температурах определяют не только обычные механические характеристики при кратковременных испытаниях, но и характеристики при продолжительной работе. Прочность материала называют в этом случае длительной прочностью.
Для определения механических свойств образца при продолжительной работе его нагревают в электропечи, установленной на разрывной машине, нагружают и отмечают время до разрушения tp. Чем выше напряжение, тем быстрее разрушается образец.
Напряжение, при котором образец разрушается не ранее заданного времени, называют пределом длительной прочности axl. Обозначение с = 250 МПа указывает, что при напряжении 250 МПа образец разрушается не менее чем через 300 ч. Предел длительной прочности всегда ниже предела прочности при кратковременном испытании.
Зависимость предела длительной прочности Сдд от времени при постоянной температуре t называют кривой длительной прочности. В двойных логарифмических координатах эта зависимость в определенных пределах имеет вид прямой линии: или = сг2г 2 = С = const. где mt tg, а и С — постоянные для данной температуры испытания. Чем выше температура, тем меньше показатель степени m и тем быстрее убывает по времени предел длительной прочности.
Размеры нагруженных при высокой температуре деталей с течением времени непрерывно меняются, что может нарушить работу машины. Это явление называют ползучестью. При испытании на ползучесть к нагретому образцу прикладывают постоянную нагрузку и через определенные промежутки времени измеряют удлинение образца. Зависимость остаточной деформации от времени испытаний при постоянном напряжении и постоянной температуре называют кривой ползучести (рисунок. 3.1).
Остаточная деформация вначале быстро нарастает (стадия I — неустановившаяся ползучесть), затем в течение основного времени работы скорость ползучести остается примерно постоянной (стадия II — установившаяся ползучесть), наконец, перед разрушением образца скорость ползучести быстро нарастает (III - стадия). Чем выше напряжение и температура, тем быстрее развивается ползучесть.
Наибольшее напряжение, при котором деформация ползучести за определенный период времени не превышает заданного значения, называют пределом ползучести (обозначение 00,2/ісо = 150 МПа указывает, что при напряжении 150 МПа ползучесть за 100 ч вызывает относительное остаточное удлинение 0,2%).
Когда общая деформация детали по условиям работы остается неизменной (например вытяжка болта в резьбовом соединении), увеличение с течением времени пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации и падению напряжения (в данном случае к ослаблению резьбового соединения). Это явление называют релаксацией напряжений.
Наконец, при высоких температурах происходит интенсивное окисление ряда материалов. В неравномерно нагретых конструкциях ползучесть приводит с течением времени к перераспределению напряжений: в горячих зонах напряжения уменьшаются, в более холодных - увеличиваются. Это должно учитываться в расчетах на длительную прочность.
Применение обычных конструкционных сталей в условиях значительной напряженности ограничено температурой 300 - 400 С. Жаропрочные стали и сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов применяют при температурах до 700 - 800 С и выше. При еще более высоких температурах применяют металлокерамические и керамические материапы.
