CC BY
27
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
DETERMINING STEEL RESOURCE OF PIPELINES, PROCESS UNITS AND THEIR ELEMENTS
А.Н. ШАУРО
М.А. БЕРЛИН И.В. МИЩЕНКО Е.П. ЗАПОРОЖЕЦ
A.N. SHAURO M.A. BERLIN MISHENKO I.V. ZAPOROZHETS E.P.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: KEYWORDS:
УДК 622.691.2/234
Краснодар injgeo@injgeo.ru
кандидат технический наук, генеральный директор ЗАО «НИПИ «ИнжГео»
д.т.н., проф., ученый секретарь ЗАО «НИПИ «ИнжГео» аспирант КубГТУ
доктор технических наук, профессор, научный консультант ЗАО «НИПИ «ИнжГео»
PhD in Technical Sciences, CJSC «SRIDS InjGeo» Director General KraSn0dar
Doctor of Engineering, Professor, CJSC «SRIDS InjGeo» academic secretary Post-graduate KubGTU
Doctor of Engineering, Professor, CJSC «SRIDS InjGeo» Academic Adviser
аппарат, гидрогазодинамика, давление, металл, параметр, плотность, процесс, ресурс, связь, скорость, среда, старение, стенка. трубопровод, температура, энергия unit, hydrogas dynamics, pressure, steel, parameter, density, process, resource, linkage, speed, environment, aging, wall, pipeline, temperature, energy
Статья посвящена актуальной проблеме - определению ресурса металла в конструкциях трубопроводов, корпусов технологических аппаратов и сосудов, нефтегазового комплекса.
В статье предлагается метод расчета ресурса конструкционного металла в зависимости от газо-гидродинамических параметров сред, воздействующих на металл, а также от основных механических и геометрических параметров конструкции, в которой он применяется.
The article is dedicated to actual problem, i.e. determining oil/gas complex pipeline, process unit and vessel casing steel resource. The article suggests calculation method for structural steel resource depending on gas-hydrodynamic environmental and main mechanical and geometrical structure parameters.
На объектах современной нефтяной и газовой промышленности в длительной эксплуатации находится большое количество технологических аппаратов, сосудов и трубопроводов, ресурс которых к настоящему времени исчерпан или подходит к концу. Полная их замена требует больших капитальных затрат. Однако при изменении условий эксплуатации, например, при уменьшении давления газа и его расхода, аппараты, сосуды и трубопроводы могут прослужить еще некоторое время. Для разработки рекомендаций по дальнейшему сроку службы необходимо уметь определять ресурс металла, из которого изготовлены эти аппараты, сосуды, трубопроводы. В настоящее время имеется тенденция интенсификации технологических процессов сбора. Подготовки и переработки углеводородов путем применения новых аппаратов, принципы действия которых основаны на использовании высокоскоростных течений (звуковых, сверхзвуковых, кавитационных). Неизвестно сколько времени будут служить проточные части, элементы конструкций и корпуса таких аппаратов. При проектировании и эксплуатации необходимо знать, хотя бы в первом приближении, ресурс металла, из которого они изготавливаются. При создании оборудования
традиционного типа также требуется закладывать оптимальное время его службы. Поэтому при разработке новых и модернизации существующих трубопроводов и оборудования требуется уметь рассчитывать ресурс применяемых конструкционных материалов. Создание метода расчета ресурса металла трубопроводов, корпусов технологических аппаратов, их конструктивных элементов, сосудов для хранения углеводородов под давлением и прочего оборудования, применяемого при добыче, сборе, подготовке и переработке углеводородов является актуальной проблемой. Решение этой проблемы позволит оптимизировать сроки службы трубопроводов и технологического оборудования, повысить безопасность их эксплуатации и снизить аварийность.
В настоящей статье предлагается физико-математическая модель для определения ресурса металла рабочих элементов технологических аппаратов и трубопроводов в зависимости от газогидродинамических параметров перемещаемых в них сред, а также от основных механических и геометрических параметров этих элементов.
Известно [1 - 7], что износ металла конструкций зависит от гидрогазодинамики, термодинамики, химической
агрессивности перемещаемых в них сред, и просто от времени. Воздействие текучей среды: жидкости, газа или их суспензий на металл вызывает в нем ослабление и нарушение межкристал-литных связей. Процесс ослабления межкристаллитных связей от действия на металл разности давлений текучей и внешней сред, динамики текучей среды, её загрязненности абразивными частицами и старения металла в первом приближении выражается уравнением
ЕМ - Е - +Ет)=0 (1)
где:
Ем - энергия межкристаллитных связей в металле, Дж;
Еи - энергия напряжения в металле при действии на него разности давлений текучей среды и внешней среды, Дж; Ет - расход энергии, действующей на металл от динамики текучей среды, Дж/с; К - загрязненность потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента (чистый поток К=1; загрязненный поток К>1); Ет - расход энергии на старение металла, Дж/с;
т - время процесса, с.
При известных (определенных) значениях параметров ЕМ, Еи, ЕТ К, Ет ►
величина т является ресурсом металла в секундах. С учетом того, что количество секунд в году 3,1536 • 107, формула для определения ресурса металла в годах имеет вид
Энергия ЕМ межкристаллитных связей между частицами металла рассчитывается по формуле [4, 5]
ем = a,Vu
(3)
где:
а - временное сопротивление металла разрыву, Н/м3, (Дж/м3); - объем металла, м3.
Энергия Еи напряжения в металле при действии на него разности давлений текучей среды и внешней среды выражается формулой
E = u'V
М
(4)
- для толстостенных
■ толстостенного цилиндра
Расчетное напряжение в стенках тонкостенного и толстостенного цилиндрических элементов, согласно энергетической теории прочности [5], определяется по формуле
и = Мц- + 11^2 : мя
<Р (9)
где
е - коэффициент Пуассона.
В шарообразном элементе, например, в корпусе сосуда для хранения углеводородов под давлением, величины напряжений в стенках рассчитываются по уравнениям [8] для:
- тонкостенного элемента
и = иш1 = (10)
- толстостенного элемента, соответственно, на его внутренней и внешних поверхностях
где и - напряжение металла, возникающее под действием разности давлений, Н/м2, (Дж/м3).
Величина и зависит от конфигурации (геометрии) конструктивного элемента и толщины стенки [4, 5], например, внутреннее давление внутри элементов конструкций (рис.1), имеющих цилиндрическую форму (трубопроводов, патрубков, штуцеров и пр.), вызывает в их стенках кольцевые напряжения: - для тонкостенных
(11)
(6)
где АР - разность внутреннего РВ и наружного РН давлений, Н/м2, (Дж/м3); DВ, DН, DС - внутренний, наружный и средний диаметр цилиндрического элемента, м; 5 - толщина стенки, м; RВ, RН - внутренний и наружный радиусы цилиндра, м.
В закрытом цилиндре донышками, (например, в цилиндрическом корпусе технологического аппарата или сосуда) дополнительно возникает разрывающая сила, которая вызывает растягивающее меридиональное напряжение, выражаемое для:
- тонкостенного цилиндра
(7)
(8)
| (Ir l) m | W
(14)
-с C.-9 (Р*-Рг)\
J. IP, ffi flí
(15)
(12)
РВ, РН- где давление внутри и снаружи шара, Н/м2 (Дж/м3); RВ, RН- радиусы внутренний и внешний поверхностей, м.
Расчетное напряжение в стенке шарообразного толстостенного элемента
В формуле (4) под величиной и учитывается удельное напряжение в стенках, работающих под разностью давлений в корпусах сосудов, аппаратов, трубопроводах, патрубках, штуцерах, насадках и пр. любой конфигурации.
Известно [8], что при течении потока в элементах конструкций аппаратов, сосудов и трубопроводах происходит уменьшение его энергии, выражаемое в уменьшении давления. Часть энергии диссипируется (её количество, например, для газа определяется по интегральному эффекту Джоуля - Томпсона). Другая часть превращается в тепло и электричество. Оставшаяся энергия Ет идет на ослабление внутренних связей между частицами металла и на его разрушение.
В первом приближении расход этой энергии (Дж/с) для газа ЕтЭ или жидкости Ет1, протекающих на расчетном участке трубопровода, насадка, патрубка, штуцера, корпуса сосуда и пр. рассчитывается, соответственно, по формулам
В формулах (14) и (15) к - показатель адиабаты газа; Rconst = 8,314 Дж/(моль • К) - молярная газовая постоянная; т - молярная масса газа, кг/моль; Э - массовый расход газообразной среды, кг/с; 1 - массовый расход жидкостной среды, кг/с; Т1 - исходная температура газообразной среды, К; Ср - изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг^К); в - интегральный эффект Джоуля - Томпсона, град/Па; р1 - плотность жидкости, кг/м3; Р1 - исходное давление текучей среды, Па; Р2 - давление среды в конце расчетного участка, Па; 5 - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м; 5 - длина расчетного участка, м; ~ - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки, градус; п - 3,14.
В выражении (14) внутри фигурных скобок второе произведение является энергией диссипации за счет интегрального эффекта Джоуля - Томпсона. В (14) И (15) не принимается в расчет энергия потоков, которая превращается электричество, в связи с тем, что последнее в основном идет на разрушение материала в виде электрохимической коррозии. На коррозию принято давать (см. рис.1) дополнительную толщину металла с, которая в расчетах по формулам (3) - (13) также не учитывается.
Величина угла гс(в градусах) натека-ния потока на изогнутую стенку (например, изогнутого участка трубопровода или патрубка, представленных на рис.2) определяется из выражения [9]
(16)
где AX - длина дуги (м) между двумя ближайшими точками 3 и 4 соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки 2; R - радиус искривления, м.
Расход энергии ET при гс =90° максимальный. При гс =0 он стремится к нулю. Однако необходимо отметить, что на практике угол натекания присутствует даже в потоке среды, движущейся параллельно поверхности металла, так как всегда имеются некоторая волнистость поверхности, конусность, а также прочие дефекты механической обработки. Конечно в этом случае величина угла « очень небольшая. Например, для прямолинейного участка трубопровода гс = 1 •Ю-3 * МО"4 град.
В уравнениях (14) и (15) все параметры текучей среды кроме величины P2 хорошо определяются опытным путем или задаются изначально при проектировании конструкции. Нахождение величины P2 на действующих объектах ►
Рис.1. Расчетная схема цилиндрического элемента
Р, Р2, Т1, Т2 - давление и температура в начале и конце (сечения 1 и 2) расчетного участка элемента, F- массовый расход текучей среды; Rн - внешний радиус; Rв - внутренний (расчетный) радиус; 3 - толщина стенки; с - прибавка на коррозию; I - длина расчетного участка;
Рис.2. Расчетная схема определения угла а натекания потока на поверхность изогнутой стенки.
1 - направление потока; 2 - ограничивающая стенка, 3, 4 - ближайшие точки соприкосновения касательных 5 и 6 с дугой АХ; R - радиус поворота.
Рис.3 Расчетная схема изогнутого цилиндрического элемента.
1 - направление потока; Rср - средний радиус, в - угол поворота, градус; Dн - наружный диаметр элемента, м; Dв - внутренний диаметр элемента, м.
также не вызывает затруднений. Для определения Р2 расчетным путем (при известном давлении в начале расчетного участка Р1) могут быть рекомендованы методы, описанные в работе [10]. Здесь представлены, в качестве примера, формулы для расчеты величины Р2 в конце прямого (рис. 1) и изогнутого (рис.3) элементов, которые часто используются на практике [10].
где:
£ > 1 - коэффициент гидравлического сопротивления рассчитываемого элемента, IV - скорость потока (жидкости или газа) на рассматриваемом участке, м/с; р - плотность потока (газа или жидкости), кг/м3;
_ 64 Л~Те
Л =
(1,8 1пЙе -1.64 <24'
Коэффициент гидравлического сопротивления £к для изогнутого элемента (рис.3):
= 0,0175 -Л, -Ь р
л ч0.1№
1 — К ~
(гг)
\2 Не)
0.225
(18)
где:
F - массовый расход текучей среды, жидкости 1 или газа Э, кг/с.
Коэффициент гидравлического сопротивления для прямолинейного цилиндрического элемента определяется по формуле
Лк =
/Ге°-45 \2 ReJ
0.27В
(19)
где:
S - длина элемента, м; А - коэффициент сопротивления, который рассчитывается - по закону Гагена - Пуазейля (при числе Re до 2000)
(20)
Е=Ь'К
м
(29)
Не = (21)
- внутренний диаметр, м; у - коэффициент динамической вязкости текучей среды, Н • с/м2;
- по закону Блаузиуса (при Re от 2000 до 4000)
- по формуле Филоненко - Альтшуля (при Re> 4000)
для элементов длиной до 100 м
для элементов более 100 м по модифицированной формуле
Расчет ресурса металла сосудов, предназначенных для хранения текучих сред под давлением, или корпусов технологических аппаратов, в которых скоростью течения среды можно пренебречь, выполняется по упрощенной формуле
(25)
Т —
Ей
Ет 3,1536 -107
(30)
(26)
(27)
(28)
где Rcp - средний радиус поворота (см. рис. 3), м; ХК - коэффициент сопротивления изогнутого элемента; в - угол поворота, град.
Кроме гидродинамики и газодинамики на металл разрушающе действует время. От времени ослабляются его межкристаллитные связи, вследствие чего уменьшается прочность металла. Величина Ет расхода энергии межкри-сталлитных связей в металле от времени рассчитывается по формуле
где УМ - объем металла, м3; Ь - скорость снижения энергии межкристаллитных связей металла, Дж/(м3^с); Н/(м2^с)
Величину скорости Ь снижения энергии межкристаллитных связей металла определяют опытным путем, она найдена И.В. МИЩЕНКО для сталей марок в следующих пределах:
- 09Г2С от 0,084 до 0,30;
- 14ХГС от 0,028 до 1,00;
- 17ГС от 0,055 до 0,30;
- Ст. 4 от 0,012 до 0,07.
Максимальные величины Ь определены для сталей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях (в местностях с большими сезонными перепадами температур, часто меняющихся давлении и температуры текучей среды и пр.).
Расчет ресурса металла по формулам (1) или (2) выполняется для различных конструкций корпусов аппаратов, трубопроводов, патрубков, штуцеров и пр., работающих под внутренним давлением, и по которым транспортируется текучая среда.
в которой не учитывается воздействие на металл динамики потока.
Расчет ресурса металла конструкции, которая работает только при нате-кании на неё потока (например, струи) может быть произведен по формуле
(31)
в которой не учитывается статическое напряжение в металле, вызываемое разностью давлений.
Описанная модель проверялась при расчетах ресурса металлов прямых (длиной до 3000 м) и изогнутых (под 90°) участков газопроводов и нефтепроводов, которые прослужили 37-48 лет. Отклонения расчетных и имеющихся величин составили 2-3 года. ■
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. ГОСТ 14249 - 89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность
- М.: ГОССТАНДАРТ - 1989 - 79 с.
2. ГОСТ 25859 - 83 Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках - М.: ГОССТАНДАРТ - 1983 - 30 с.
3. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин
B.М. и др. Материаловедение и технология металлов - М.: Высш.шк., 2000. - 638 с.
4. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов - М.: Высшая школа
- 1989 - 624 с.
5. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон
C.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов - М.: Недра - 1965 - 904 с.
6. Быстрицкий В.В. Эрозионный износ направляющих насадок / Труды ЛИВТ
- Л. - 1972 - Вып. 135 - С. 26 - 39.
7. Запорожец Е.П., Зиберт Г.К., Мищенко И.В. Расчет ресурса аппаратов и трубопроводов // Сб. науч. Трудов ДОАО «ЦКБН» ОАО «ГАЗПРОМ» - 55 лет
- М.: ООО «Недра - Бизнесцентр» -2006 - С. 308 - 314.
8. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - М.: Химия - 1971 - 784 с.
9. Математика. Большой энциклопедический словарь /гл. ред. Прохоров Ю.В. - М.: Большая Российская энциклопедия - 2000 - 848 с.
10. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям - М.: Машиностроение - 1975 - 559 с.
т
