CC BY
251
УДК 620.179.1
Оценка остаточного ресурса длительно
эксплуатируемых вертикальных цилиндрических резервуаров
Г.Х. САМИГУЛЛИН, к.т.н., зав. кафедрой транспорта и хранения нефти и газа
ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» (Россия, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21-я линия, д. 2). E-mail: samigullin_gch@spmi.ru
Рассмотрены вопросы усовершенствования алгоритма оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых вертикальных цилиндрических резервуаров в условиях коррозионного повреждения в целях повышения безопасности их дальнейшей эксплуатации. Представлен расчет ресурса, в котором учитывались погрешность измерений толщины стенки, статистический разброс исходных данных и условия эксплуатации резервуара. Ключевые слова: остаточный ресурс, резервуары, методика, неразрушающий контроль.
Проблемы длительной эксплуатации вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) были и остаются актуальными по причине медленных темпов обновления основного оборудования в нефтегазовой отрасли [1]. Имеющийся резервуарный парк обладает значительным запасом, который позволяет продлить время безопасной эксплуатации РВС после проведения технического обследования и расчетной оценки остаточного ресурса [2, 3]. В зависимости от конкретных условий эксплуатации, куда включаются природно-климатические воздействия, физико-механические свойства материалов, эксплуатационные нагрузки и т.д., как правило, выделяют основные повреждающие факторы, после чего по принятым математическим либо феноменологическим моделям и соответствующим им критериям определяется остаточный срок службы элементов резервуаров [4, 5]. Наиболее часто используемые в данном случае модели принято делить на две основные группы [6]: детерминистические (основанные на физических законах механики разрушения) и вероятностно-статистические (учитывающие случайную природу возникновения дефектов либо статистику разрушения материалов). Применимость различных моделей для конкретных расчетных случаев является наиболее серьезным моментом, в котором могут проявиться субъективные факторы, приводящие к неточностям и ошибкам, что в дальнейшем может иметь серьезные последствия.
В частности, большинство используемых методик оценки технического состояния и алгорит-
мов расчета остаточного ресурса почти никак не адаптированы к реальным условиям эксплуатации РВС. В нормативных документах по эксплуатации РВС введена классификация резервуаров по конструктивным и технологическим параметрам [7], кроме того, резервуары могут входить в состав технологических установок различных категорий взрывоопасности [8] и возникающие аварийные ситуации могут протекать по разным сценариям с различной степенью тяжести последствий [9]. Учет приведенных положений при проведении диагностирования и расчетов остаточного ресурса РВС позволит в значительной степени повысить обоснованность и достоверность результатов обследования, а также точность определения сроков безопасной эксплуатации.
Таким образом, для повышения безопасности эксплуатации РВС необходимо выполнить следующие задачи:
• разработать порядок учета погрешностей определения толщины элементов при диагностировании РВС с учетом их класса опасности в зависимости от номинального объема;
• предложить количественные показатели, характеризующие степень тяжести последствий возможных аварийных ситуаций РВС, исходя из условий эксплуатации - по категории взрыво-опасности технологических блоков;
• совершенствование алгоритма оценки остаточного ресурса РВС с учетом статистического характера сведений (например, результатов ультразвуковой толщинометрии), получаемых при диагностировании элементов резервуаров.
Неразрушающий контроль элементов резервуара является основным этапом оценки его технического состояния, который включает проведение ультразвуковой дефектоскопии и толщи-нометрии. Измеренная толщина элементов резервуара (стенки, днища, крыши, понтона и др.) является одним из основных показателей, которые характеризуют состояние резервуара и служат основой для определения срока дальнейшей безопасной эксплуатации как при статическом, так и при циклическом режиме эксплуатации.
Для РВС, эксплуатируемых на опасных производственных объектах, в этом случае целесообразно использовать вероятностную величину минимальной возможной толщины стенки поскольку общая площадь измерений составляет лишь малую часть от полной площади диагностируемого резервуара. Минимально возможная толщина рассчитывается исходя из предположения, что в процессе выборочного ультразвукового контроля фактическая минимальная толщина не была обнаружена.
При определении 5^т1П учитываются объективные погрешности - ошибка метода и средства измерения Бё, ошибка от выборочности контроля Бт и среднее значение толщины стенки по замерам Б(х):
- 5(х) - Ба - Бт.
(1)
Ошибка метода и средства измерения определяются по формуле с учетом паспортной ошибки прибора й, исходной толщины стенки Бисп и количества измерений N.
Б А* + °,°1 Бисп)• К 8 3 ^
(2)
В формуле (2) коэффициент К - квантиль распределения Стьюдента, нормируемый достоверностью прогноза у в зависимости от класса опасности РВС, приведен в табл. 1.
Ошибка от выборочности контроля определяется шириной доверительного интервала, равного произведению среднего квадратичного отклонения о на коэффициент интервальной оценки
Бт = * ■
(3)
Таблица 1
Значения квантиля распределения Стьюдента
Класс опасности РВС Достоверность прогноза у, % Коэффициент К5
I 99,0 2,326
II 95,0 1,646
III 90,0 1,282
IV 80,0 0,840
Таблица 2
Показатели доверительной вероятности для резервуаров, эксплуатируемых в составе технологических блоков
Категория взрывоопасности Относительный энергетический потенциал взрывоопасности 0в Доверительная вероятность ц
I >37 0,99
II 27-37 0,95
III <27 0,80
расчетов можно использовать значения коэффициента интервальной оценки * при доверительной вероятности 95%, приведенные в работе [10].
Количество измерений толщины стенки должно определяться в зависимости от условий эксплуатации и степени опасности технологических установок, которые характеризуются категорией взрывоопасности технологических блоков, определяемых по величине относительных энергетических потенциалов взрывоопасности Qв. Причем для резервуаров, эксплуатируемых в условиях с высоким показателем категории взрывоопасно-сти, необходимо устанавливать более высокий уровень доверительной вероятности из нормированного ряда (табл. 2).
Согласно рекомендациям [11], объем измерений определяется выражением
п —
ир2 N А X + и|ст2
и2у 2 N + и%У2
(4)
Коэффициент интервальной оценки нормируется в зависимости от достоверности прогноза у и количества измерений N при предположении о нормальном распределении результатов ультразвуковой толщинометрии. Для практических
где исходными данными для определения числа измерений п являются:
• N - количество измерений, требуемое в соответствии с нормативно-технической документацией [3-5];
• У - коэффициент вариации;
• Ах - предельная абсолютная ошибка в оценке среднего значения толщины измеряемого элемента;
• и - квантиль нормального распределения;
• ст - средняя частных дисперсий измеряемой величины.
По минимально возможным толщинам элементов резервуара проводится оценка остаточного ресурса РВС, в частности в условиях коррозионного износа стенки и днища резервуара по критерию статической прочности стенки.
Оценка остаточного ресурса РВС в условиях коррозионного повреждения основана на результатах измерения толщины стенки за весь период от начала эксплуатации до момента последнего контроля. Накопление коррозионно-эрозионного повреждения А5 во времени t может быть описано одной из следующих закономерностей:
• линейной - = А-1 + В;
• степенной - А&(г) = А^В;
• экспоненциальной - А&(г) = А-ехр(г) + В;
• логарифмической - А&(г) = А1п(г + В).
Выбор закономерности для определения остаточного ресурса производится по величине коэффициента регрессии (чем ближе к единице, тем точнее данная закономерность описывает результаты измерений).
Остаточный ресурс определяется моментом достижения прогнозируемой толщины стенки своего предельного значения. Предельное значение толщины стенки соответствует минимальной допустимой величине, обеспечивающей прочность конструкции под действием эксплуатационных
Таблица 3
Результаты сравнительного расчета остаточного ресурса РВС по различным методикам
S
рас
tmin рас
tpac
РД 153112-017-97[5] СО 03001-06 [2] Предлагаемая методика при достоверности прогноза*
80% 95% 99%
1 2 3 4 5
15 12 14 12 10
* Примечание. Достоверность прогноза 80, 95 и 99% установлена из условия эксплуатации резервуара в составе технологического блока III, II и I категорий взрывоопасности соответственно.
нагрузок. На рисунке приведена схема определения остаточного ресурса. В результате расчетов по формулам 1-3 определяется среднее 5(х) и
значения толщи-
минимально возможное S,,
Рис. Схема определения остаточного ресурса резервуара по минимально возможным значениям толщины стенки
ны стенки для всех проведенных контрольных измерений. С учетом исполнительной толщины стенки Бисп по полученным значениям 5(х) и подбираются вид закономерности и коэффициенты А и В, причем чем длительнее период эксплуатации резервуара, тем точнее может быть выполнена оценка ресурса.
Для оценки адекватности предлагаемой методики оценки остаточного ресурса резервуара РВС-5000 второго класса опасности в табл. 3 приводятся результаты расчета при исходных данных, приведенных в методике [2]. Для упрощения вычислений принят линейный закон накопления коррозионно-эрозионных повреждений.
Исходные данные:
- диаметр резервуара - 22,8 м;
- материал - ВСтЗсП5;
- высота налива - 10,5 м;
- избыточное давление - 200 мм. вод. ст.;
- удельный вес продукта хранения - 0,82 т/м3;
- средняя толщина листов первого пояса стенки - ^ = 6,7 мм;
ср
- номинальная толщина - t() = 7,0 мм;
- среднее квадратичное отклонение толщины стенки о = 0,12 мм;
- срок эксплуатации резервуара 18 лет.
По формуле (П6.1.3) [2] определяется минимально необходимая толщина первого пояса стенки, результат: tрaсч = 5,9 мм.
Из представленных результатов видно, что предлагаемая методика расчета позволяет учитывать различие в условиях эксплуатации вертикальных стальных резервуаров - при снижении категории взрывоопасности технологического блока расчетная величина ресурса увеличивается.
S
S
исп
t
Это позволяет дифференцировать требования к резервуарам при оценке их технического состояния и повысить точность расчетов при оценке остаточного ресурса.
Выводы
Таким образом, при определении технического состояния и расчете срока дальнейшей безопасной эксплуатации РВС необходимо учитывать следующие факторы:
• приборную погрешность измерений толщин элементов резервуаров;
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бушуев В., Крюков В., Саенко В., Томин С. Развитие нефтяной промышленности России: взгляд с позиции ЭВ-2030 / В. Бушуев, В. Крюков, В. Саенко, С. Томин // Нефтегазовая вертикаль. 201°. № 13-14. С. 6.
2. СТО 03-001-06 Стандарт организации «Экспертиза промышленной безопасности вертикальных сварных резервуаров для нефти и нефтепродуктов». Серия 03 / Колл. авт. - М.: Корина-офсет, 2007. 243 с.
3. СТО 0030-2004 Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Правила технического диагностирования, ремонта и реконструкции / Стандарт организации ЗАО «ЦНИ-ИПСК им. Мельникова». - М.: ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова». 2003. 24 с.
4. РД 08-95-95 Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Серия 08. Вып. 1. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2010. 124 с.
5. РД 153-112-017-97 Инструкция по диагностике и оценке остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров / Инструкция ОАО «АК «Транснефтепродукт». - М.: Нефть и газ, 1997. 27 с.
6. Самигуллин Г.Х., Султанов М.М. Определение остаточного ресурса нефтеперерабатывающих предприятий. [Электронный ресурс]. Режим доступа: Ийр:// www.ogbus.ru/authors/Sam1gull1n/Sam1gull1n_3.pdf
• вероятность предположения о пропуске наиболее изношенного участка резервуара;
• потенциальную опасность резервуара как сооружения, эксплуатируемого в составе опасного производственного объекта, характеризуемую категорию взрывоопасности технологического блока.
Полученные результаты позволяют повысить безопасность длительно эксплуатируемых вертикальных стальных резервуаров путем повышения точности и достоверности при оценке остаточного ресурса.
7. Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Сер. 03. Вып. 69. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. 240 с.
8. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности: Общие правила взрывобезо-пасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Сер. 09. Вып. 37. 2-е изд., доп. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности». - 2013. 126 с.
9. Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах нефтегазоперерабатываю-щей, нефте- и газохимической промышленности: руководство по безопасности. Сер. 09. Вып. 38 / Колл. авт. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. 44 с.
10. G. Samigullin, N. Achmadeev, E. Filimonov. The Computer Analysis of the State of the Plant of Petrochemical Factory.7th European Conference On Non-Destructive Testing. Bookof Abstract. Copengagen, 1998. Р. 156-157
11. Надежность и эффективность в технике: Справ. в 10 т. Т. 7. Качество и надежность в производстве / Под ред. И. В.Апполонова. - М.: Машиностроение, 1989. 280 с.
RESIDUAL LIFE ASSESSMENT IS LONG MAINTAINED VERTICAL CYLINDRICAL TANKS
Samigullin G. H., Cand. Sci. (Tech.), Head of Department of transport and storage of oil and gas
National Mineral Resources University (University of Mines) (21 line 2, Vasilievsky island, 199106, Saint-Petersburg, Russia). E-mail: samigullin_gch@spmi.ru
ABSTRACT
The paper proposed to enhance the security of advanced algorithms assesses the residual life long maintained vertical cylindrical tanks in terms of corrosion damage. When calculating the resource is taken into account the measurement error of the wall thickness, the statistical spread of the original data and operating conditions of the tank. Keywords: residual resource, reservoirs, methods, non-destructive testing.
REFERENCES
1. Bushuev V., Kryukov V., Saenko V., Tomin S. Development of oil industry in Russia: a view from the position of EV-2030. Neftegazovaya vertical [Oil and gas vertical], 2010, no. 13-14. p. 6. (in Russian)
2. Standard of organization 03-001-06. Examination of industrial safety of vertical welded tanks for oil and oil products. Series 03. Moscow, Corina-offset Publ., 2007. 243 p. (in Russian)
3. Standard of organization 0030-2004. Vertical cylindrical steel tanks for oil and oil products, the rules of technical diagnostics, repair and reconstruction, Moscow, ZAO ZNIIPSK of Melnikov Publ., 2003. 24 p. (in Russian)
4. Guidance Document 08-95-95. Regulation on technical diagnostics of welded vertical cylindrical tanks for petroleum and petroleum products. Series 08, Issue 1, Moscow, «Scientific-technical center of research of problems of industrial safety» Publ., 2010, 124 p. (in Russian)
5. Guidance Document 153-112-017-97. Instructions for the diagnosis and assessment of residual life of vertical steel tanks. Moscow, Neft i gaz [Oil and gas] Publ., 1997. 27 p. (in Russian)
6. Samigullin G. H., Sultanov M. M. Definition of a residual resource of oil refineries. Available at: http:// www.ogbus.ru/authors/Samigullin/Samigullin_3.pdf (accessed 1 March 2015)
7. Direction. Safety Manual vertical cylindrical steel tanks for oil and petroleum products. Series 03, Edition 69. Moscow, Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti [Scientific-technical center of research of problems of industrial safety] Publ., 2013. 240 p. (in Russian)
8. Direction. The general rules for the explosion of explosive chemical, petrochemical and refining industries. Series 09, Issue 37. Moscow, Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti [Scientific-technical center of research of problems of industrial safety] Publ., 2013. 126 p. (in Russian)
9. Direction. Methods of assessing the risk of accidents at hazardous production facilities oil and gas processing, oil and gas and chemical industry. Series 09, Edition 38. Moscow, Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti [Scientific-technical center of research of problems of industrial safety] Publ., 2014. 44 p. (in Russian)
10. Samigullin G., Achmadeev N., Filimonov E. The Computer Analysis of the State of the Plant of Petrochemical Factory.7th European Conference On Non-Destructive Testing. Bookof Abstract. Copengagen, 1998,pp. 156-157
11. Directory. Reliability and efficiency in techniques, v. 7. Moscow, Mashinostroenie [Mechanical engineering] Publ., 1989. 280 p. (in Russian)
