CC BY
68
Характерные дефекты и повреждения, снижающие эксплуатационную надежность стальных вертикальных резервуаров
С.Г. Абрамян, О.В. Бурлаченко, В.В. Плешаков, О.В. Оганесян,
А.О. Бурлаченко Волгоградский государственный технический университет
Аннотация: Подчеркивается важность обеспечения надежной эксплуатации стальных вертикальных резервуаров. На основании анализа ряда научных публикаций и нормативных документов представлены наиболее характерные дефекты по группам, от совокупности которых зависит выбор метода капитального ремонта или реконструкции резервуаров. В соответствии с приведенными данными, рассмотрены наиболее распространенные методы капитального ремонта и реконструкции стальных вертикальных резервуаров. Отмечается необходимость разработки организационно-технологических решений на основе информационных технологий, с применением серверов по контролю через системы ГЛОНАСС/GPS, что позволит в рамках мониторинга своевременно обнаруживать дефекты и повреждения конструктивных элементов на этапе эксплуатации и обеспечивать их устранение с целью увеличения остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров.
Ключевые слова: остаточный ресурс, причины возникновения дефектов, сварные швы, трещины, методы производства работ.
Обеспечение надежной эксплуатации трубопроводного транспорта углеводородных продуктов, в состав которого входят стальные вертикальные резервуары для хранения этих же продуктов, является одним из ключевых направлений сохранения национальной (в том числе энергетической и экологической) безопасности страны [1-3]. В научной публикации [1] отмечается, что к ключевым темам, влияющим на безопасность в сфере энергетики, относятся высокая изношенность основных фондов и недостаточное инвестирование в развитие различных отраслей топливно-энергетического комплекса. Актуальность работ [4, 5] заключается в решении проблемы надежной эксплуатации стальных вертикальных цилиндрических резервуаров на основе повышения остаточного ресурса. В частности, исследуются резервуары «с трещинами и вмятинами дефектов с учетом их размеров, расположения в конструкции резервуара и
эксплуатационных нагрузок с использованием конечно-элементного моделирования».
Причинами дефектов, проявляющихся на стадии эксплуатации РВС (резервуары вертикальные стальные) и приводящих к их износу, прежде всего являются ошибки в проектировании, а также различные изменения, затрагивающие: а) эксплуатационные условия; б) характер внешних нагрузок; в) сечения несущих конструкций стальных резервуаров. Кроме того, необходимо обязательно учитывать изменения прочностных характеристик элементов конструкций, возникающих в течение продолжительного эксплуатационного периода.
Анализ научных публикаций [6, 7] показывает, что в целом такие же причины возникновения дефектов присущи магистральным нефтегазопроводам.
Как известно, при эксплуатации РВС подвергаются воздействию целого комплекса различных факторов. В первую очередь речь идет о так называемой малоцикловой усталости, которая возникает вследствие заполнения-опорожнения РВС, и о коррозионных процессах на незащищенных элементах конструкций, вызванных присутствием в нефти и нефтепродуктах различных агрессивных примесей. На тех участках, где концентрируются напряжения, наблюдается интенсивное накопление усталостных повреждений.
В целом все дефекты, возникающие при эксплуатации РВС, дифференцируются следующим образом:
1) дефекты, связанные с нарушением геометрии резервуара, среди которых: вмятины и выпучины на поверхности резервуара; угловатость сварных швов его стенки; отклонения образующих стенки от вертикали и отклонения контура днища от горизонтали; осадка основания РВС; так называемые хлопуны, т. е. растянутые участки, на которых днище резервуара
прогибается при изменении нагрузки; изгиб окраек днища и некоторые другие;
2) дефекты, возникающие непосредственно на металлических конструктивных элементах, иными совами, дефекты основного металла, среди них: коррозия и различные виды механических повреждений, таких, как царапины, поверхностные задиры, вырывы, а также различные расслоения, в том числе в виде трещин, и дефекты сварных соединений -непровары, нарушения однородности металла (несплошности) и др.;
3) дефекты, обусловленные наличием недопустимых конструктивных элементов, т. е. элементов или соединительных деталей, которые не отвечают требованиям действующих в настоящее время нормативно-технических документов.
Для того, чтобы избежать быстрого износа цилиндрических РВС на стадии эксплуатации, следует проводить обследование конструктивных элементов на предмет выявления тех зон, которые в наибольшей степени подвержены напряжению, а также участков потенциального возникновения дефектов материала. Для реализации этих задач необходимо составить программу соответствующей технической диагностики.
Согласно исследованию [8], в наибольшей степени коррозионному воздействию подвержена нижняя часть корпуса РВС, поскольку отстаиваемая вода, загрязненная нефтепродуктами, является причиной коррозионного поражения днища резервуара. Кроме того, в данной работе отмечается, что процессы коррозии наблюдаются также в верхней части резервуара и на кровле под влиянием паров нефтепродуктов, содержащих довольно агрессивные коррозионно-активные агенты.
В другой научной публикации [9] авторами приводятся совершенно иные данные, более укрупненные, и указаны дефекты технологического оборудования.
При таком процентном соотношении дефектов [9] происходит полный отказ резервуаров или же нужен капитальный ремонт. Отметим, что технологические процессы капитального ремонта и реконструкции РВС идентичны.
Как подчеркивает автор публикации [8], самую серьезную опасность для РВС представляют, во-первых, дефекты сварных швов в виде трещин и, во-вторых, неравномерная осадка основания резервуара.
Наиболее уязвимыми для повреждений местами РВС принято считать те, где отмечается высокая концентрация напряжений, а именно: уторные швы, дефекты которых могут стать причиной возникновения хрупких трещин; участки, где располагаются технологические отверстия и имеются заплаты в стенке.
По мнению автора работы [8], эксплуатационная надежность РВС должна обеспечиваться не только за счет точного следования всех условий типового проекта, но и благодаря организации своевременной эффективной технической диагностики, на результатах которой делаются выводы об остаточном ресурсе РВС. И здесь очень актуально применение BIM-технологий (BIM - Building Information Modeling).
Чтобы разработать BIM-сценарии для стадии эксплуатации РВС, необходимо определить основные характеристики дефектов сварного соединения, основного металла, нарушений геометрической формы резервуара, износа и отказа оборудования, дефектов понтонов и плавающих крыш и цифровать их по подгруппам.
Используя действующие нормативные документы и научные исследования, предлагается создать цифровую базу данных по дефектам и повреждениям, основные из которых представлены на рис. 1 с указанием номеров (1.1 - 5.5) цифровой информации.
Г,
Дефекты сварного соединения
Непровары: прожоги, несплавления 1.1
Цепочки и скопления пор, твердые включения 1.2 Нарушение геометрии шва и дефекты поверхности шва (чешунчатость, подрезы, наплывы, перерывы, смещение стыкуемых кромок) 1.3
Коррозия сварных шеов 1.4
Трещины любых размеров 1.5
Л
Дефекты основного металла
"Л
Вырывы металла, риски, остатки монтажных
приспособлений 2.1
Механические повреждения 2.2
Локальные коррозионные повреждения 2.3
Сплошные коррозионные повреждения 2.4
Сеищн, сквозные отверстия 2.5
Трещины любых размеров 2.6
Дефекты основного металла
Хлопуны, вмятины 3.1
Смещение стыкуемых полотнищ 3.2
Угловатость монтажных швов 3.3
Осадка резервуара, нарушение основания 3.4
Отклонения образующих стенки от вертикали 3.5
Дефекты оборудования резервуаров
Износ и отказ оборудования 4.1
Износ и отказ системы предотвращения и тушения пожара 4.2
Износ и отказ контрольно-измерительных приборов и приборов систем автоматики 4.3
Дефекты оборудования резервуаров
Негерметичность и износ затворов плавающих покрытий
Затопление понтона
Отрыв плавающей крыши резервуара
Отрыв опорных стоек
Деформация направляющих груб и стоек с
зависанием или без зависания понтона
плавающей крыши
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Рис. 1 . - Наиболее характерные дефекты, от совокупности которых зависит выбор метода капитального ремонта или реконструкции РВС
На рис. 2 представлена модель наиболее распространенных методов капитального ремонта (или реконструкции) стальных вертикальных резервуаров, которая разработана на основании данных, указанных на рис. 1.
Рис. 2. - Модель наиболее распространенных методов капитального ремонта и реконструкции стальных вертикальных резервуаров: Н - наплавка, заварка дефектов; Ч - частичная замена (с вырезкой и вставкой дефектного участка);
3Д1 - полная замена днища полистовым методом; 3Д2 - полная замена днища рулонным методом; ЗО - полная замена окраек днища; ЗС - замена участков стенки; ЗП - полная замена покрытия; НЗ - ремонт наложением заплат на днище или покрытие; Р - установка ребер или колец жесткости;
П - ремонт неравномерной осадки наружного контура днища методом подъема или опускания; ГБ - ремонт негерметичности безогневыми методами; У - установка нового оборудования взамен устаревшего, изношенного, при отказах оборудования и т. п.; АП - нанесение антикоррозионного покрытия (методы капитального ремонта конструктивных элементов РВС и их условное обозначение приняты
согласно [9])
Выборка наиболее часто встречающихся дефектов и повреждений при различных методах капитального ремонта (или реконструкции) позволяют выявить наиболее характерные дефекты и повреждения РВС. В частности, представленные на рис. 3 диаграммы составлены на основании данных, представленных на рис. 1.
Рис. 3. - Наиболее распространенные дефекты и повреждения РВС, возникающие на стадии эксплуатации: а - количество; б - процентное
отношение
К наиболее опасным и значительно влияющим на остаточный ресурс РВС на стадии эксплуатации повреждениям и дефектам относятся: коррозия сварных швов и основного металла (в том числе и локальные коррозионные повреждения основного металла) - 39 %; трещины любых размеров сварных швов и основного металла - 28 %; свищи, сквозные отверстия основного металла - 11 %; хлопуны, вмятины - 5 %; угловатость монтажных швов -4 %; остальные, рассматриваемые под номерами 1.1-1.3; 3.2; 3.4 и 3.5 (см. рис. 1 ), дефекты и повреждения составляют по 2 %.
Данные диаграммы позволяют обратить особое внимание на потенциально проблемные моменты при мониторинге на стадии эксплуатации и разработать необходимые организационно-технологические решения с применением серверов по контролю через системы ГЛОНАСС/GPS, по аналогии с методикой, представленной в научной
публикации [10]. Это позволит повысить остаточный ресурс РВС на стадии эксплуатации.
Итак, в заключение отметим:
- выбор методов капитального ремонта (или реконструкции) зависит от совокупности дефектов и повреждений, которые возникают на стадии эксплуатации вертикальных стальных резервуаров. К наиболее опасным и значительно влияющим на остаточный ресурс РВС на стадии эксплуатации повреждениям и дефектам относятся: коррозия сварных швов и основного металла (в том числе и локальные коррозионные повреждения основного металла) - 39 %; трещины любых размеров сварных швов и основного металла - 28 %; свищи, сквозные отверстия основного металла - 11 %.
- своевременный мониторинг и обнаружение дефектов и повреждений конструктивных элементов РВС на этапе эксплуатации и их устранение позволяют увеличить остаточный ресурс РВС. Для этого следует разработать необходимые организационно-технологические решения на основе BIM, с применением серверов по контролю через системы ГЛОНАСС/GPS.
Литература
1. Пимнев А.Л., Земенкова М.Ю. Оценка остаточного ресурса при мониторинге надежности резервуаров в изменяющихся условиях эксплуатации // Фундаментальные исследования. 2015. № 11-2. С. 292-296.
2. Васильев Г. Г. , Сальников А. П. Анализ причин аварий вертикальных стальных резервуаров // Нефтяное хозяйство. 2015. № 2. С. 106-108.
3. Абрамян, С.Г. Аспекты экологической безопасности реконструкции и эксплуатации магистральных трубопроводов // Национальная безопасность России: актуальные аспекты: материалы всерос. науч.-практ. конф., (Санкт-Петербург, сент. 2018) : сб. избр. ст.. - Санкт-Петербург, 2018. C. 103-106.
4. Dmitrieva A. S., Samigullin G.H., Lyagova A. A. Evaluation of stress-strain
state ofsteel cylindrical tank with crack defect using ANSYS software // International Forum on Contest of Young Researchers. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. 2019, pp. 97-103.
5. Dmitrieva A. S., Schipachev A. M., Lyagova A. A. Numerical analysis of stress-strain state of vertical steel tanks with defects // 15th International Forum-Contest on Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. 2020, pp. 796-803.
6. Гостинин И.А., Вирясов А.Н., Семенова М.А. Анализ аварийных ситуаций на линейной части магистральных газопроводов // Инженерный вестник Дона. 2013. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1618.
7. Беляков Р.В., Томарева И.А. Разработка программного продукта для оценки малоцикловой долговечности по критерию зарождения трещины // Инженерный вестник Дона. 2020. №12. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n12y2020/6704.
8. Сафина И.С., Каузова П.А., Гущин Д.А. Оценка технического состояния резервуаров вертикальных стальных // Технадзор. 2016. №3(112). URL: strategnk.ru/about/stati/statya1/statya1
9. Гумеров А.Г., Султанов М.Х., Гималетдинов Г.М., Саттарова Д.М. К ремонту железобетонных и стальных вертикальных резервуаров для
-5
хранения нефти объемом 1000 - 50000 м // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2004. № 63. С. 135-148.
10. Абрамян С. Г., Бурлаченко О. В., Оганесян О. В., Бурлаченко А. О. Система управления жизненным циклом объектов капитального строительства с использованием цифровых технологий // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2021. Вып. 4(85). С. 305313.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2022/7501
References
1. Pimnev A.L., Zemenkova M.Ju. Fundamental'nye issledovanija. 2015. № 11-2, pp. 292-296.
2. Vasiliev G. G., Salnikov A. P. Neftjanoe hozjajstvo, 2015. № 2, pp. 106108.
3. Abramyan S. G. Nacional'naja bezopasnost' Rossii: aktual'nye aspekty: materialy vseros. nauch.-prakt. konf., (Sankt-Peterburg, sent. 2018): sb. izbr. st. Sankt-Peterburg, 2018, pp. 103-106.
4. Dmitrieva A. S., Samigullin G.H., Lyagova A. A. International Forum on Contest of Young Researchers. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. 2019, pp. 97-103.
5. Dmitrieva A. S., Schipachev A. M., Lyagova A. A. 15th International Forum-Contest on Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources. 2020, pp. 796-803.
6. Gostinin I.A., Viryasov A.N., Semenova M.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1618.
7. Belyakov R.V., Tomareva I.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №12. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n12y2020/6704.
8. Safina I.S., Kauzova P.A., Gushchin D.A. Tehnadzor, 2016, №3 (112).
9. Gumerov A.G., Sultanov M.Kh., Gimaletdinov G.M., Sattarova D.M. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2004, № 63, pp. 135-148.
10. Abramyan S. G., Burlachenko O. V., Oganesyan O. V., Burlachenko A. O. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Stroitel'stvo i arhitektura, 2021, vyp. 4(85), pp. 305-313.
