CC BY
14
УДК 622.69:620.193.4
В.М. Кушнаренко, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиноведение», ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Ю.А. Чирков, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиноведение», ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Е.Ю. Чирков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник АНО «Технопарк ОГУ», ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
В.Ю. Полищук, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических и пищевых производств», ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
К.Н. Материнко, магистрант кафедры «Машины и аппараты химических и пищевых производств», ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: post@mail.osu.ru
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ДЕФЕКТОВ ОБОРУДОВАНИЯ
При эксплуатации оболочковых конструкций возможно образование коррозионных дефектов, отличающихся размером и глубиной. Существуют методики, оценивающие потенциальную опасность таких дефектов. Так, методика института Баттелля позволяет получить графики, подразделяющие выявленные при диагностировании дефекты на три категории в зависимости от вида, размеров дефектов и запаса прочности на опасные, потенциально опасные и неопасные. Однако, коррозионные дефекты склонны к развитию, как по глубине, так и по протяженности, в связи с чем, возникает необходимость определить, какой ресурс у конструкции до развития коррозионных дефектов до опасного состояния. В статье представлена методика оценки потенциальной опасности дефектов оборудования, позволяющая определять остаточный ресурс и назначать необходимые мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации оболочковых конструкций.
Ключевые слова: методика, дефект, оборудование, прочность.
Основой безопасной эксплуатации оборудования является система технической диагностики, позволяющая поддерживать безаварийную эксплуатацию за счет своевременного выявления и устранения потенциально опасных дефектов. В данной работе под термином оборудование подразумеваются сосуды, аппараты и другие оболочковые конструкции, имеющие диаметр обечайки до 3000 мм, толщину стенки до 60 мм и эксплуатирующиеся при давлении до 10 МПа в условиях воздействия коррозионных рабочих сред.
К настоящему времени сложилась система критериев и запасов прочности, отраженная в методиках и нормативных документах, и гарантирующая работоспособность объектов при соблюдении заданных условий эксплуатации. Работоспособность оборудования обеспечивается, если фактический коэффициент запаса прочности N1 будет превышать допустимый коэффициент запаса Ндап, регламентируемый нормативными документами. Фактический коэффициент запаса прочности N1 определяется расчетом и/или уточняется по результатам натурных гидроиспытаний дефектных оболочковых конструкций N1= Рраз / Рраб.
Наиболее известным и распространенным методом оценки степени опасности коррозионных и механических дефектов оболочковых конструкций является метод стандарта ANSI/ASME В3Ш [1], а также его модификации. Сущность метода основана на результатах многочисленных испытаний оболочковых конструкций с различными дефектами и получении
зависимости величины разрушающего давления от длины и глубины повреждений.
Гидроиспытания натурных оболочковых конструкций сероводородсодержащей средой позволили уточнить потенциальную опасность нетре-щиноподобных дефектов и сопоставить величины разрушающих давлений с расчетными значениями. Проведенные коррозионно-механические испытания оболочковых конструкций позволили обосновать применение модифицированной методики института Баттелля для определения потенциальной опасности нетрещиноподобных дефектов оболочковых конструкций, контактирующих с сероводородсодержа-щими нефтегазовыми средами [2, 3].
Окружные напряжения Сф (МПа), которые могут вызвать разрушение оболочковой конструкции, имеющей дефект, определяются по формуле:
^^•[(А-лМА-лм-1)] . (1)
Размеры дефектов определяют на основе данных неразрушающего контроля, полученных в процессе периодического технического диагностирования сосуда. В случае близкого расположения дефектов, если расстояние между ними не превышает длину наименьшего из дефектов, то их рассматривают как один дефект суммарной длины с глубиной наибольшего из них, а при расположении дефектов на противоположных поверхностях глубины их суммируются.
Определяют коэффициент Фолиаса, учитывающий диаметр и толщину стенки оболочковой конструкции, и размеры дефекта:
М = д/1 + 0,6275 • 1} /£> • г - 0,003375Х4 /(£> • г)2
для £<л/50£> * ;
9 ' (2)
М = 0,032£2/(£>-0 + 3,3
для Ь>450ЕЫ .
Расчетное разрушающее давление оболочковой конструкции с дефектом определяется по формуле:
раз /
(3)
Допустимое рабочее давление оболочковой конструкции с дефектом рассчитывается по формулам:
для
(1 /Мдоп)-(Ъ/О)-а,-(А0-А)
д
для Р.
4„ - ^ • (1 + 0,6275Х2 / (£> • 0 - 0,003375£4 / (£> • г)2)-0,5
д
А0-А-(0,032• (X2 /(£>• 0) + 3,3)
-1
(4)
При расчете по модифицированным формулам стандарта В 3Ш оболочковых конструкций, контактирующих с сероводородсодержащими средами и содержащих внутренние и поверхностные нетрещиноподобные дефекты, за напряжение текучести принимают минимальный нормативный предел текучести материала (ст=стт). Допускаемый коэффициент запаса прочности вычисляют по формуле:
(5)
[с] - ПИП
V
пт
п
(6)
в у
где Re/
Rm/t - I
Пт
Пв
Таблица 1 - Коэффициенты запасов прочности групп сосудов
Группа блока или аппарата Коэффициенты запаса прочности
ПТ пВ
I 2 3
II 1,8 3
Ш,ГУ 1,6 2,6
V По ГОСТ Р 52857.1[5]
Допускаемые напряжения в рабочих условиях [с] при расчете по предельным нагрузкам элементов сосудов и аппаратов из углеродистых и низколегированных сталей, работающих при статических и повторно-статических нагрузках и температурах не выше 200 0С в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах, определяют согласно [4] по формуле:
Группа сосуда определяется в зависимости от парциального давления сероводорода и рН среды. Группа сосудов определяется согласно [4] (таблица 2).
Таблица 2 - Определение группы сосуда
минимальный предел текучести при расчетной температуре, МПа; Rpo,2/t - минимальный условный предел текучести при остаточном удлинении 0,2 % при расчетной температуре, МПа;
минимальное временное сопротивление (предел прочности) при расчетной температуре, МПа;
- коэффициент запаса прочности по пределу текучести;
- коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению (пределу прочности);
пт и пв определяются согласно [4] (таблица 1).
Номер группы Рн2 * МПА рН
I Ри2 1 > 1,0 Любое
II 0,1 < РН2г < 1,0 <5,0
III >5,0
IV 0,01 < Рн2 г < 0,1 <5,0
V 0,0003 < РН2в < 0,01 Любое
Все нетрещиноподобные дефекты, выявленные в результате диагностирования, подразделяются на три категории в зависимости от их вида, размеров и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные.
Опасные дефекты - требуют ремонта в кратчайшие сроки. Для сосудов, контактирующих с серово-дородсодержащими средами, опасными являются локальные поверхностные нетрещиноподобные дефекты с остаточной толщиной стенки менее 40% от расчетной толщины стенки и с запасом прочности относительно разрушающего давления менее чем для потенциально опасных дефектов.
Потенциально опасные дефекты - не входят в категорию опасных, однако размеры которых оставляют остаточную толщину стенки оболочковой конструкции менее расчетной толщины стенки tр и коэффициент запаса прочности меньше чем проектный до 10%. Эти дефектные участки должны периодически обследоваться и ремонтироваться до их перехода в опасные.
Неопасные дефекты - не снижают несущей способности сосуда ниже расчетной, остаточная толщина стенки сосуда равна или больше отбраковочной толщины стенки ^ (расчетной толщины стенки у. К ним относятся поверхностные дефекты металла, допустимые требованиями НД, а так же внутренние металлургические дефекты.
Коэффициент запаса прочности дефектного участка оболочковой конструкции определяется по формуле:
Nl = Рраз / Р,
раб.
(7)
Потенциальная опасность дефектного участка оболочковой конструкции, контактирующей с се-роводородсодержащими средами, оценивается по значению коэффициента запаса прочности:
- для опасных дефектов №< 0,8^доп +0,2;
- для потенциально опасных
0,8^доп+0,2< №<Н,оп;
- для неопасных дефектов №Ждоп.
Экспресс-оценка прочности оболочковой конструкции, имеющей дефект, проводится на компьютере, при этом строятся графики, ограничиваю-
щие размеры дефектов и позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации оборудования, а также осуществляется классификация потенциальной опасности дефектов оболочковой конструкции в зависимости от области их расположения на графиках (рисунок 1).
График IV строят путем определения остаточной толщины, при которой произойдет разрушение оболочковой конструкции, имеющей дефект, при рабочем давлении, в зависимости от протяженности дефекта в формулах (2-4), то есть определяют размеры дефектов, способных вызвать разрушение оболочковой конструкции при рабочем давлении и N1=1.
График III получают путем пошаговых вычислений ДРД оболочковой конструкции, имеющей дефект, до величины, при которой разрушающее давление (Рраз) в №=0,8-Ндап+0,2 раза больше рабочего давления сосуда, при изменении длины и глубины дефекта в формулах (2-4).
График II получают путем пошаговых вычислений ДРД оболочковой конструкции, имеющей дефект, до величины, при которой разрушающее давление (Рраз) в №=0,9-Ндап+0,1 раза больше рабочего давления сосуда, при изменении длины и глубины дефекта в формулах (2-4).
График I получают путем пошаговых вычислений ДРД оболочковой конструкции, имеющей дефект, до величины рабочего давления сосуда при изменении длины и глубины дефекта в формулах (2-4) и коэффициенте запаса прочности N1, ограничивающим предельные размеры потенциально опасных дефектов.
0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
Длина дефекта L, мм
Рисунок 1. График, ограничивающий размеры нетрещиноподобных дефектов в обечайке сосуда 01400x45 мм, (Р=7,5 МПа, Ст=250 МПа, Св=415 МПа), контактирующей с сероводородсодержащими средами
Пунктирная линия строится путем пошаговых вычислений размеров дефекта из условия, что при линейном развитии дефектов будет одинаковый срок эксплуатации до графика I на величину, определяемую произведением максимальной вероятной скорости развития глубины дефекта атах у (или скорости коррозии аналогичных сосудов) на время до следующего освидетельствования (в данном случае 5 лет при скорости коррозии 0,3 мм/год).
В зависимости от области расположения данных диагностирования на графиках (рисунок 1) определяют условия дальнейшей эксплуатации или ремонта оболочковой конструкции, имеющей не-трещиноподобный дефект.
Область 1 - проектные условия эксплуатации сосуда, содержащего неопасные дефекты. Для дефектов лежащих выше пунктирной линии возможен переход в категорию потенциально-опасных до следующего экспертного обследования. На эти дефекты необходимо обращать внимание при периодическом внутреннем осмотре сосудов между экспертизами, о чем должны делаться отметки в документации.
Область 2 - работоспособное состояние эксплуатации сосуда, содержащего потенциально опасные дефекты, для которых обязателен периодический
контроль и определение сроков проведения ремонта. Ремонт сосуда, имеющего дефект, проводится в плановом порядке, если дефект находится в области, ниже тонкой линии графика II, делящего область 2, и в течение года, если дефект находится выше тонкой линии графика II. Заключение по техническому состоянию сосуда должно содержать рекомендации по ремонту дефектов, попадающих в область потенциально-опасных, или снижению рабочего давления до значения, при котором дефекты не будут попадать в категорию потенциально-опасных.
Область 3 - сосуд содержит опасные дефекты и не допускается к дальнейшей эксплуатации, а подлежит ремонту в кратчайшие сроки (внеплановый ремонт).
В случаях необходимости эксплуатации сосуда с потенциально опасными или опасными дефектами, расположенными во 2-й или 3-й областях проводится расчет и соответственно снижается давление в сосуде.
Предлагаемая методика оценки потенциальной опасности дефектов оборудования позволяет объективно установить отбраковочную толщину стенки, определить остаточный ресурс сосудов и назначить необходимые мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации оболочковых конструкций.
Литература
1. ASME B 31G-2009. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines. - ASME. NewYork. - 49с.
2. Кушнаренко В.М. Диагностирование объектов нефтегазовой промышленности. / В.М. Кушнаренко, Н.А. Быстрова, Ю.А.Чирков. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 244 с.
3. Бауэр А.А. Надежность трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды. / А.А. Бауэр, В.М. Кушнаренко, А.Е. Пятаев, Ю.А. Чирков, Д.Н. Щепинов. - Оренбург: «ОренПечать», 2015. - 506с.
4. ГОСТ Р 52857.10 -2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Сосуды и аппараты, работающие с сероводородными средами. - Введ. 2007-12-27. - М.: Стандартинформ, 2008. - 4 с.
5. ГОСТ Р 52857.1-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. -Введ. 2008-04-01. - М.: Стандартинформ, 2008. - 24 с.
