Введение к работе
Актуальность проблемы
Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов являются чрезвычайно опасными объектами с точки зрения пожаро- и взрывоопасности, экологической опасности. Обеспечение безопасности резервуаров в значительной степени связано с корректным учетом многофакторного воздействия рабочей и окружающей среды, технологических и конструктивных параметров.
Анализу причин аварий резервуаров посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей. Сведения о причинах возникновения и последствиях аварий немногочисленны, поскольку до недавнего времени материалы, касающиеся аварий резервуаров, относились к закрытой информации. Кроме того, фирмы-владельцы разрушенных резервуаров, как у нас в стране, так и за рубежом, не заинтересованы в распространении достоверной информации об истинных причинах разрушения резервуаров, о масштабах причиненного ущерба и экологических последствиях аварий.
В диссертации дана информация об аварийных разрушениях стальных вертикальных резервуаров с 1950 по 1983 гг. на объектах нефтяной отрасли с тяжелыми последствиями, в т. ч. с гибелью людей.
Как правило, к аварийным ситуациям приводит комплекс причин. Однако
в любом случае устойчивость резервуаров к разного рода воздействиям напрямую связана с толщиной составляющих элементов металлоконструкций и ее уменьшением на всей поверхности или на отдельных локальных участках.
В нефтехозяйстве Российской Федерации насчитывается более 50 000 стальных вертикальных резервуаров различного назначения и габаритов, в т. ч. суммарная вместимость резервуарных парков около 2000 нефтебаз и их филиалов компании «Транснефтепродукт» составляет более 30 млн м3, нефтеперекачивающих станций компании «Транснефть» — более 15 млн м3, системы нефтедобывающей промышленности — более 26 млн м3, нефтеперерабатывающих компаний — около 18 млн м3.
Одним из путей решения проблемы повышения ресурсов безопасной эксплуатации резервуаров являются разработка и использование новых эффективных научно обоснованных методов оценки влияния технологических и конструктивных факторов на скорость утонения стенок резервуаров.
Стальные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов работают
в специфических коррозионных условиях, что обусловливает необходимость противокоррозионной защиты. Около 90 % всех аварий и отказов резервуаров происходит по причине коррозии. Поэтому эффективность противокоррозионной защиты и величина припуска на коррозию стенки, назначаемого при проектировании резервуаров, в значительной степени определяют уровень надежности резервуара.
Решению проблем, связанных с коррозией и ресурсом резервуаров, посвящены труды многих ученых — В. Б. Галеева, А. А. Гоника, A. Г. Гумерова,
М. В. Лыкова, В. Ф. Новоселова, Е. Н. Сафонова, М. К. Сафаряна, П. И. Тугунова, И. Г. Ибрагимова, А. А. Калимуллина, А. А. Коршака, B. Ф. Котова, В. В. Кравцова, М. В. Кузнецова, И. Милайна, Е. Н. Тэнди и др.
Увеличение ресурса безопасной эксплуатации резервуаров достижимо сохранением толщины стенки не ниже расчетных значений, которое ведется в основном по двум направлениям:
выполнение антикоррозийной защиты лакокрасочными покрытиями;
прибавление к толщине стенки припусков на коррозию, с целью обеспечения заданного срока службы резервуаров без потери конструкциями несущей способности и функциональных свойств.
При проектировании резервуаров всегда возникает вопрос о величине припуска на коррозию и защитной способности лакокрасочного покрытия. Весьма актуален также вопрос о повышении защитных свойств лакокрасочных материалов (ЛКМ) отечественного производства путем разработки новых рецептур ЛКМ или модифицирования серийно выпускаемых материалов.
Применение защитного покрытия имеет неопределенность при оценке его влияния на износ стенки резервуара, поскольку само понятие "защитная способность" покрытия не вполне определено. Такая характеристика, как "срок службы" покрытия, не может характеризовать в полной мере его защитную способность, так как коррозия металла под покрытием начинается задолго до начала разрушения покрытия. В настоящее время сроки замены покрытий на внутренней поверхности резервуара не имеют научного обоснования и часто не обеспечивают заданный ресурс безопасной эксплуатации резервуара. Назначение типа покрытия и периодичности его обновления с условием обеспечения минимальной величины припуска на коррозию стенки металла является актуальнейшей проблемой современного резервуаростроения.
Мировой опыт эксплуатации резервуарных парков неоднократно показал, что недоучет многофакторного влияния на ресурс металлоконструкций приводит к крупным катастрофам. Решение задачи превентивного и текущего управления применительно к резервуарам нефтегазовой отрасли и обеспечение промышленной безопасности резервуарных парков, предприятий и населенных пунктов, расположенных в районе нефте- и нефтепродуктохранилищ — это проблема не узкого ведомственного значения, а задача государственной важности.
В развитие современных методов диагностирования стальных резервуаров внесли существенный вклад Л. А. Бабин, В. А. Буренин, Р. М. Галимов, Р. А. Жданов, М. Г. Каравайченко, Н. М. Фатхиев, Л. Н. Шаров и др. Практически все методы диагностирования базируются на выявлении различных дефектов и отклонений и расчете времени до наступления критического состояния по формулам малоцикловой усталости. Эти методы позволяют дать оценку состояния индивидуального резервуара и в подавляющем большинстве случаев их применение оправдано. При этом учет коррозии металла под защитным покрытием проводится весьма ориентировочно путем введения в расчетную формулу так называемого коэффициента коррозии, который назначается без достаточного обоснования. Следует отметить, что упомянутые методы не приемлемы для превентивной оценки ресурса резервуара на стадии его проектирования.
Цель работы
Целью диссертационного исследования явилась разработка на основе экспериментальных и производственных данных методологии превентивного и текущего управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров с учетом конструктивных и технологических факторов и свойств защитного покрытия внутренней поверхности.
Принципы превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных резервуаров могут быть сгруппированы следующим образом:
увеличение припуска на коррозию;
применение защитного покрытия внутренней поверхности;
уменьшение припуска на коррозию в сочетании с применением защитного покрытия.
Текущее управление заключается в проведении мероприятий по снижению скорости коррозии металла за счет повышения защитной способности покрытий
и их возобновления в сроки, обеспечивающие заданный ресурс безопасной эксплуатации резервуара.
Для достижения поставленной цели диссертационного исследования решались следующие задачи:
1 Разработка математической модели определения скорости утонения стенки РВС с учетом влияния конструктивных и технологических факторов для осуществления превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации резервуаров, не имеющих защитного покрытия внутренней поверхности.
2 Разработка математической модели оценки защитных свойств лакокрасочных покрытий внутренней поверхности стальных вертикальных резервуаров и методологии превентивного управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров с защитным покрытием на внутренней поверхности.
3 Установление взаимосвязи между ресурсом безопасной эксплуатации резервуара, припуском на коррозию стенки и типом ЛКП с учетом их старения и сроками обновления в процессе эксплуатации.
4 Изучение возможности увеличения ресурса безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров на основе повышения защитных свойств ЛКП путем модифицирования связующего, диспергирования и модифицирования наполнителей в составе ЛКМ.
5 Модифицирование состава резиновой смеси для уплотнительных элементов плавающих крыш и понтонов, с целью снижения их износа при трении о стенки резервуаров.
6 Повышение ресурса безопасной эксплуатации РВС П и РВС ПК применением эрозионностойкого лакокрасочного покрытия внутренней поверхности.
С этой целью разработать состав, предназначенный для снижения износа элементов пары трения «резина–лакокрасочное покрытие (ЛКП) на внутренней поверхности стенки».
Научная новизна
1 Сформулирована и аналитически решена новая задача, заключающаяся
в разработке методологии превентивного и текущего управления ресурсом безопасной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров для нефтепродуктов, учитывающей величину припуска на коррозию, тип защитного лакокрасочного покрытия на внутренней поверхности резервуара и обоснованные сроки его обновления.
2 Разработана и обоснована новая математическая модель оценки скорости утонения стенки резервуара без защитного покрытия на внутренней поверхности, с учетом объема резервуара V, коэффициента оборачиваемости nо, среднегодовой температуры стенки tср, высоты от основания h, типа крыши — стационарная (СК), плавающая (ПК) и стационарная в сочетании с понтоном (ПП) — в диапазоне значений перечисленных параметров, характерных для условий эксплуатации резервуаров нефтегазовой отрасли Российской Федерации: V = 2000–50000 м3, nо = 2–110 1/год, tср = минус 2–17.
3 Разработана и обоснована новая математическая модель оценки скорости утонения стенки резервуара под лакокрасочным покрытием (ЛКП) внутренней поверхности для различных ЛКП. На основе предложенной модели установлено влияние типа ЛКП на периодичность его обновления для обеспечения заданного при проектировании ресурса безопасной эксплуатации резервуара.
4 Впервые предложен и обоснован новый критерий: коэффициент защиты (Кзащ) лакокрасочного покрытия, зависящий от типа лакокрасочного покрытия
и продолжительности его эксплуатации с момента нанесения, определяемый равенством Кзащ = 1 – Пз / П0, в котором Пз и П0 — среднегодовые скорости утонения соответственно с покрытием и без покрытия стенки резервуара. Использование критерия Кзащ позволяет вычислить среднегодовую скорость коррозии стенки
резервуаров всех типов и условий эксплуатации с использованием разработанных математических моделей.
Практическая ценность
Внедрение расчетных моделей утонения стенки резервуаров, программы (для ЭВМ) оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров и рекомендаций по применению новых модифицированных лакокрасочных материалов для окраски внутренней поверхности стальных резервуаров в ГУП «Башгипронефтехим» обеспечило превентивное управление длительной безопасной эксплуатацией резервуаров на стадии их проектирования.
Разработанные в диссертации математические модели и программы для ЭВМ используются на ОАО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод» при оценке остаточного ресурса резервуаров.
Применение расчетного метода оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров на ОАО «Уфанефтехим» дало возможность установить средние скорости коррозии резервуаров различных типов и назначения.
Внедрение программы (для ЭВМ) оценки сроков безопасной эксплуатации резервуаров, рекомендаций по применению модифицированных материалов для окраски внутренней поверхности стальных резервуаров на ООО «Луховицкая нефтебаза» позволило получить экономический эффект 3 млн. рублей в ценах 2008 года.
Использование рекомендаций по защите от внутренней коррозии стальных резервуаров товарного парка на ОАО «Южуралнефтегаз» модифицированными ЛКМ позволило получить экономический эффект 4,94 млн. руб./год;
Применение новых систем модифицированных лакокрасочных покрытий внутренней поверхности стальных резервуаров на ОАО «Волгасинтез» обеспечило повышение продолжительности межремонтного цикла, сроков безопасной эксплуатации резервуаров и получение экономического эффекта 3,22 млн. руб./год.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях «Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе» (г. Салават, Салаватнефтемаш, 2006), «Проблемы и перспективы развития АО «Уфимский нефтеперерабатывающий завод» (Уфа, 1995), «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП–99)» (Уфа: УГНТУ, 1999), «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий» (Уфа, 1996), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа: УГНТУ, 1996–2004 гг.), Международных научно-практических конференциях «Промышленная безопасность на пожароопасных
и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008), «Диагностика оборудования и трубопроводов», Международной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу — творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009), Первой Всероссийской конференции молодых ученых (Уфа, 2009).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Объем диссертации 342 с. машинописного текста; приводятся 76 таблиц, 51 иллюстрация и 7 приложений. Список литературы содержит 264 наименования.
