CC BY
15надежность
И.М. Розенштейн, НПП «Форт»
особенности предложений по предотвращению хрупкого разрушения стальных сварных резервуаров в новом гост на резервуары
«Разработчиком проекта технического регламента может быть любое лицо»
Федеральный закон «о техническом регулировании». Статья 9.3.
Хрупкое разрушение стальной сварной конструкции, ССК, изготовленной из стали, отвечающей требованиям проекта и ГОСТ на ее поставку, случается при статическом нагружении, более того - при постоянной нагрузке, в разы меньше от.. Ничто не предвещает его приближения, а экологический и экономический ущерб от него бывает огромен. Для оценки склонности стали к хрупкому разрушению (хладноломкости) разработан ряд методик и критериев. Однако основными остаются испытания образцов Шарпи с острым надрезом и образцов Менаже с тупым надрезом на маятниковом копре Шар-пи, стандартизованные еще в 1905 г. С тех пор было предложено множество новых методик, каждая декларировалась как самая-самая, но ни одна из них не выдержала проверки временем. Это подтверждают результаты серии международных испытаний по разным методикам нескольких марок сталей, разосланных в тридцать лабораторий разных стран. При испытаниях одни и те же марки стали выстроились в различные качественные ряды, т.е. заняли разные места. Авторы сделали вывод, что результат испытания - это реакция стали на данный вид испытания и ничего более. Преимущество рекомендовалось отдавать той марке стали, которая набрала больше очков, как в «танцах со звездами» [1].
Выбор надреза в образце - дело случайное и научного обоснования не имеет. С точки зрения оценки склонности стали к хрупкому разрушению ни один из образцов преимуществ не имеет. Испытания позволяют определить косвенным образом (обычно на трех образцах вместо пятнадцати при сериальных испытаниях в интервале снижающихся температур) критическую температуру вязко-хрупкого перехода Выполнение требований стандарта к заданной величине ударной вязкости (обычно 30 Дж) при регламентированной температуре ^ (обычно 20°С или 40°С) гарантирует условия Существенная проблема возникает при переходе от оценки склонности к хрупкому разрушению стали к оценке склонности к хрупкому разрушению стальных сварных конструкций. Анализ аварий показал,что при хрупком разрушении ССК кристаллографически хрупкая трещина всегда начинается в сварном соединении. И это при том, что сталь, из которой сварена эта конструкция, обычно отвечает всем требованиям стандарта, по которому она была поставлена металлургами, и проекту, по которому ее назначили[2]. Установлено, что хрупкое разрушение стали является достоверным процессом, а хрупкое разрушение стальной сварной конструкции - случайным, т.е. что это различные процессы, хотя и
приводят к одному результату. Связь гарантированной величины (при гарантированном значении ан) с расчетной температурой района эксплуатации стальной сварной конструкции весьма относительна и установлена интуитивно.
Подводя итоги краткому обзору, можно утверждать, что чем ниже при которой обеспечивается гарантированная стандартом на поставку стали величина ан , тем более грубый дефект в сварном соединении выдержит ССК при расчетной температуре эксплуатации, и нет оснований утверждать что-либо более определенное.
Настоящие выводы сделаны по результатам лабораторных исследований и анализа хрупких разрушений РВС, сконцентрированных в таблице 1. Из анализа приведенной таблицы можно заключить, что опасность хрупкого разрушения ССК не может быть выражена в терминах внешнего напряжения. Вспомним энциклопедическое определение прочности: способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений или конструкций деформироваться необратимо.В возникновении хрупкого разрушения ССК внешние напряжения не играют существенной роли [3]. Относительную оценку опасности хрупкого разрушения стальной сварной конструкции
50 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 11 \\ ноябрь \ 2003
Таблица 1. Характерные особенности хрупкого разрушения
1 2
стальные сварные конструкции стальные лабораторные образцы
1. Хрупкое разрушение возникает в сварном соединении при постоянной внешней нагрузке. 1. Хрупкое разрушение возникает при возрастающей внешней нагрузке в вершине искусственного концентратора напряжения.
2. Хрупкое разрушение происходит в одну стадию: имеет место только нестабильное распространение хрупкой трещины, сопровождаемое микропластической деформацией - стадия 2; стабильное возникновение и стабильное распространение трещины, сопровождаемое макропластической деформацией, стадия 1, отсутствует. 2. Хрупкое разрушение происходит в две стадии: 1-я стадия - стабильное возникновение хрупкой трещины и ее стабильное распространение, сопровождаемое макропластической деформацией, всегда присутствует, сменяется 2-й стадией - нестабильного распространения хрупкой трещины, сопровождаемого микропластической деформацией.
3. Хрупкое разрушение возникает при внешнем напряжении ниже ст. Наблюдались возникновения и распространения хрупких трещин при напряжении порядка 0,1ст ,и при отсутствии внешнего усилия. 3. Хрупкое разрушение возникает при внешнем напряжении не менее ст , а распространение трещин, 2-стадия, возможно при внешнем напряжении порядка 0,1 Ст .
4. Хрупкое разрушение низкоуглеродистой стали возникает при климатической иногда близкой к ^=0°С. 4. Хрупкое разрушение низкоуглеродистой стали возникает только при глубоком охлаждении до значительно ниже климатической.
5. Возникновению хрупкой трещины никогда не предшествует стабильное подрастание вязкой трещины и «утяжка». 5. Возникновению хрупкой трещины обычно предшествует ее стабильное подрастание и «утяжка».
6. Хрупкая трещина возникает в сварном соединении, в месте ее возникновения всегда обнаруживается случайный дефект сварного соединения, зачастую геометрически не самый грубый из имеющихся в стальной сварной конструкции. 6. Хрупкая трещина возникает в вершине искусственного концентратора напряжения в основном металле или в сварном соединении, т.е. в заранее определенном месте.
7. Причиной хрупкого разрушения стальной сварной конструкции никогда не бывает накопление повреждений, т.к. случается оно при предпусковом испытании, в начале эксплуатации или в первую зиму эксплуатации как напоминание, что хрупкое разрушение - синоним хладноломкости. 7. Кристаллографически хрупкое разрушение стального образца, видимо, невозможно вызвать накоплением повреждений в лабораторных условиях: не удается его смоделировать.
8. Значение фактической переходной температуры в месте возникновения хрупкой трещины около дефекта, - неизвестная случайная величина. 8. Значение переходной температуры в вершине искусственного концентратора напряжения, ^ - известная стандартная величина.
9. Возникновение хрупкого разрушения при номинальном внешнем напряжении ниже ст и климатической ^ -исключительное случайное событие, оно не может быть смоделировано. 9. Возникновение хрупкой трещины в лабораторном глубоко охлажденном образце с искусственным концентратором напряжения - достоверное событие., т.е. может быть смоделировано.
можно представить в терминах переходной температуры стали, не являющейся константой стали. Можно лишь утверждать, что чем ниже стали, из которой сварена ССК, определенная по стандартной или не стандартной методике, тем менее вероятно ее хрупкое разрушение при одинаковых условиях эксплуатации.
Предупреждение хрупкого разрушения вертикальных цилиндрических стальных резервуаров, РВС, является одной из основных задач стандарта. Очевидно, на повышение эффективности реше-
ния этой задачи и направлен новый ГОСТ, действующий с 1 января 2009 г. Проанализируем,какими новейшими средствами новый документ в звании «Национальный стандарт Российской Федерации» предлагает побороть хрупкое разрушение РВС. Эту проблему традиционно пытаются решить в разделе «Выбор стали». Забегая вперед, необходимо отметить, что предлагаются те же, традиционные, решения, что и в предыдущих нормативных документах и в типовых проектах РВС.
Новшеством является номограмма, на основе которой предлагается решать все вопросы, связанные с обеспечением резервуаров от хрупкого разрушения. Не вдаваясь в детали номограммы, достаточно прочитать подпись под ней, чтобы удивиться. А гласит она, что это «график определения температуры испытаний с учетом предела текучести....» и т.д. Но давно известно, что у низкоуглеродистой стали марок СтЗкп, СтЗпс и СтЗсп одинаковый предел текучести, при том что может отличаться на 40 и более градусов. Иными словами,
надежность
1 - стенка резервуара № 1;
2 - кровля и понтон резервуара № 1;
3 - проектное положение резервуара № 1;
4 - проектное расположение резервуара № 2;
5 - месторасположение резервуара № 2 после аварии;
6 - кусок металла стенки резервуара № 1.
рис. 1 Ситуационный план после разрушения резервуара вместимостью 30000 м3
связи с пределом текучести от нет. И конечно, предложение использовать образцы для определения ударной вязкости с надрезами разной остроты для элементов с различной степенью ответственности никакого обоснования не имеет и иметь не может. Кстати, коль скоро зашла речь о раскислении стали, то едва ли уместно выглядит рас-
шифровка в «национальном стандарте» термина «сп» - «спокойная сталь», и совсем неуместно «углубление понимания» значения термина «сп», что это «полностью раскисленная сталь». Это не так. Специально, как мера борьбы с хрупким разрушением резервуаров, применялась спокойная сталь с дополнительным раскислением, у которой га-
рантируется = -40°С, а количество кислорода в ней вовсе не было равно нулю.
В п. 5.2.1.5 приведена формула для оценки свариваемости стали. Она действительно имеет «впечатляющий вид», но в данном ГОСТ неуместна, так как сталь для сварных конструкций металлурги поставляют с гарантией свариваемости.
В п.5.2.2.2 предлагается понизить расчетную температуру для резервуаров рулонной сборки. Но в этом нет ни малейшего резона, так как неоднократными исследованиями показано, что процесс рулонирования никак не отражается на свойствах стали. В этом легко убедиться, если подсчитать величину деформации листа стали в процессе рулонирования, которая, кстати, такого же порядка, как и при правке листов в правильной машине. В п. 5.2.1.8 предлагается контролировать твердость по Виккерсу Н^ Однако податливость стенки резервуара приводит к завышению числа твердости. Неизбежное искажение не позволяет с инженерной точностью измерить твердость, тем более что твердость не регламентирована.
В п. 5.2.1.6 еще нововведение. Предлагается регламентировать величину отношения ат /а„. Смысла в этом никакого нет, одна лишняя забота для заводов резервуарных конструкций, так как в стандартах на поставку стали, во всяком случае для резервуарострое-ния, всегда регламентирована величина относительного удлинения 5, которое является более конкретным свойством, оценивающим технологичность стали. Необходимо подробнее остановиться на предложении строить защитную стенку вокруг резервуара.
П. 5.1.11.1. «Для обеспечения безопасности людей и окружающей среды в условиях стесненных производственных площадок при отсутствии обвалований групп резервуаров, а также при условии расположения резервуаров вблизи морей и рек, необходимо устанавливать резервуары с защитными стенками». П. 5.1.11.3. «Прочность защитной стенки определяют расчетом от воздействия потока жидкости при разгерметизации рабочего резервуара». Хрупкие разрушения резервуаров происходят однотипно, так что можно
52 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 11 \\ ноябрь \ 2009
говорить о типичной картине разрушения. Хрупкая трещина обычно возникает в сварном соединении первого пояса стенки, со скоростью порядка 1000 м/с (лабораторные замеры на моделях) переходит со сварного соединения на основной металл и распространяется вдоль образующей по основному металлу. Берега трещины теряют устойчивость и раскрываются. Через образовавшийся разрыв под действием гидростатического давления изливается мощная струя жидкости. Под действием реактивной струи хранившегося продукта стенка отрывается от днища и крыши, распрямляется до плоскости, складывается вдвое по высоте и улетает на 20-40 м, иногда на обвалование, иногда перелетая через него, повреждая соседние резервуары, трубопроводы и строения. Бывает, не полностью оторванная крыша улетает вместе со стенкой, иногда оторванная крыша вместе с понтоном (если он был) падает на днище. Чтобы представить энергетическую мощь этого события, вспомним, что вес «ракеты» достигает 200-300 т. На рис.1 представлен ситуационный план после разрушения резервуара вместимостью 30000 м3 во время гидравлического испытания. Вместе с развернутой стенкой улетела не полностью оторванная от нее крыша; днище осталось на месте, и на него упал понтон. Картина хрупкого разрушения резервуара поражает своим динамизмом и вызванным им опустошением. П.5.1.11.3 предлагает определять прочность защитной стенки расчетом от воздействия потока жидкости. Но основные разрушения причиняет «улетающая» стенка, хотя и поток разливающейся жидкости причиняет массу вреда. Так как же считать? Авторы уходят от ответа. Задача, безусловно, динамическая, о чем авторы не говорят, используя термин «разгерметизация», в котором полностью отсутствует информация для расчета. Термин не уместен, тем более в ГОСТ, поскольку РВС для хранения нефтепродуктов не являются герметичными. Основную стоимость резервуара составляет сталь: более половины. Защитная стенка увеличивает стоимость резервуара раза в полтора, ничего определенного не принося взамен, кроме неоправданного ощущения защищенности.
А вот и самое важное требование ГОСТ - п.5.1.11.4. «При проектировании резервуара с защитной стенкой следует предусмотреть конструктивные мероприятия для предотвращения лавинного разрушения и полного раскрытия рабочего резервуара» - декларация в духе мультяшного кота Леопольда. Тем более что после выполнения этого пункта (вспомним, что требования ГОСТ обязательны) защитная стенка уже ни к чему.
Более подробная информация о расчете защитной стенки имеется в рекламе Самарского резервуарного завода [4 ]. В ней говорится, что в расчете моделируется процесс истечения жидкости из основного резервуара. Что бы авторы рекламы ни хотели сказать, но на рисунке, который, по-видимому, иллюстрирует расчет, рассматривается лишь одна половина резервуара, из которой вытекает жидкость, а вторая половина как бы не участвует в процессе разрушения. Иллюстрация не оставляет сомнений, что, несмотря на энергетическое равенство реактивного потока жидкости и полета в прямо противоположную сторону разрушенной стенки внутреннего резервуара, вызывающей основное разрушительное воздействие на защитную стенку, этот эффект, который очевиден, как показывает рис. 1, не учитывается. Не учитывать разрушительное действие удара летящей стенки внутреннего резервуара по защитной стенке нельзя, хотя бы в силу третьего закона Ньютона. Иначе приходится предположить, что поток тихо выливается из внутреннего резервуара, не вызывая динамики.
вызывают вопросы к требованиям по проверке несущей способности СТЕнки:
1 - на прочность, 2 - на устойчивость, 3 - на прочность и устойчивость при сейсмических воздействиях и 4 - на малоцикловую усталость. По первым трем пунктам даны адреса, где можно приобрести расчеты. По п.4 - больше ни слова. Самое главное, что нужда в расчете ресурса усталостной прочности стенки возникает для резервуаров вместимостью 20000 м3 и более, работающих в учетном режиме. Стенку этих резервуаров при изготовлении методом рулонирования разворачивают и сваривают из трех или более рулонов.
При этом в месте соединения возникают трудно преодолимые остаточные угловые деформации. В этом месте при эксплуатации стенка работает не в проектном режиме. В зависимости от величины угловой деформации в сварном соединении на внутренней и наружной поверхности стенки возникают усталостные трещины. Со временем внутренняя и наружная трещины могут соединиться, образовав течь, хотя до этого доходит довольно редко. Влияние угловатости легко устраняется «замоно-личеванием», наваркой ребер жесткости: для этого существует нормативный документ. Но в этом редко возникает нужда, так как для целей учета теперь применяют не резервуары, а учетные узлы. Для резервуаров, работающих в транзитном режиме, угловатости не представляют опасности из-за небольшой амплитуды деформаций, возникающих при ограниченном изменении уровня продукта в резервуаре в процессе эксплуатации.
Встречаются в ГОСТ примеры невладения профессиональным языком (на пример, «напряжения в стенке от веса жидкости), впрочем, специалисты, занятые в резервуаростроении, возможно, догадаются, что это значит. Все приведенные замечания относятся только к проблеме предотвращения хрупкого разрушения РВС для нефти и нефтепродуктов.
вывод
Исключить из Федерального закона «о техническом регулировании» статью 9.3. (читай эпиграф).
Литература
1. Provisional Report on an International Investigation of Brittle Fracture, Welding in World. 1965, v.3 n.2 3 (Doc. IX-364-63).
2. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. М.: Недра, 1995, 253 с.
3. Розенштейн И.М. Особенности хрупкого разрушения сварных стальных конструкций. Заводская лаборатория, 2007, с.53
4. Information Reference Book Vertical Cylindrical Steel Tanks for Oil and Petroleum Products. Samara, 2007. P 42.
